专利名称：双转子柱体行波型单相驱动超声电机的制作方法
技术领域：
本发明的双转子柱体行波型单相驱动超声电机属微电机领域中的超声电机。
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型微电机。其中柱体行波型超声电机属于行波型超声电机的一种。现有技术的杆式行波型电机大多采用一端驱动的兰杰文振子结构，涉及到压电陶瓷片的预紧力问题，所以结构复杂。同时由于电机需要两相激励信号，驱动电路较为复杂，给小型化带来很大的困难，从而一定程度上限制了行波型电机的微型化和产业化。
发明内容
本发明的目的在于研制一种可以单相驱动、结构更为简单、扭矩/体积大、效率高、稳定性好、易于加工、应用范围更广的行波型超声电机。
为实现上述目的，本双转子柱体行波型单相驱动超声电机采用了金属柱体为定子和双转子驱动方式。主要由定子、转子和预压力调节机构等三个部分组成，其特点是定子的组成是将四片压电陶瓷片相互垂直的粘结在空心金属柱体的四个扁平表面上，金属柱体的扁平面处于柱体一阶弯曲振动的波腹处；输出轴的一端为半球面转子，输出轴另一端装有另一个半球面转子，两个半球面转子分别与金属柱体两端的内锥面接触，既起到转子的作用，同时又可以对输出轴实现径向支撑和定位，输出轴的输出端设有螺纹，用于调节置于半球面转子平面上的蝶形弹簧；通过扁形孔将扭矩传递给输出轴；装在输出轴输出端上的压紧螺母调节蝶形弹簧将半球面转子压于定子端面。金属柱体的两端内孔均为锥面，锥面角度根据金属柱体的形状尺寸计算得到，与其所接触的转子呈球面。电机采用中空结构和双转子结构，金属柱体的两端同时起到驱动转子转动的作用。
本发明与现有技术相比，具有结构更为简单、体积小、散热快、效率高、速度稳定性好等特点，更易于加工，应用范围更广，同时可以实现单相驱动，从而大大降低了驱动电源的复杂性，特别适合于微型、精密机械的驱动装置。
图1是双转子柱体行波型单相驱动超声电机结构示意图。
图1中的标号名称1、转子，2、压电陶瓷片，3、金属柱体，4、转子，5、蝶形弹簧，6、螺母，7、输出轴。
图2是弯曲振动的激励原理图和压电陶瓷片极化及布局示意图。
图3是电机定子有限元模型及工作示意图。
具体实施例方式本发明是基于利用压电陶瓷片压电效应激出金属柱体的一阶弯曲振动而研制成的新型超声电机。它主要由定子、转子和预压力调节部分组成。图1是本发明的具体结构示意图，由图可知，电机的定子是将四片压电陶瓷片2相互垂直的粘结于金属柱体3的表面而构成的，压电陶瓷片2的粘结位置位于金属柱体3的一阶弯曲振型的波腹处，在这一位置激振可以有效的提高压电陶瓷片的工作效率。利用中空结构的金属体导热快的特点解决压电陶瓷片的散热问题，保证电机长时间工作时性能的稳定。金属柱体的两端面设计成锥形孔，目的是为了将定子端面质点的椭圆运动的平面与转子的球面相垂直，从而减小径向滑移，提高摩擦传动的效率。输出轴7的一端为半球面转子，一方面可以起到转子的作用，同时转子1球面与定子内锥面的接触又可以起到径向支撑和定位的作用，从而省去使用轴承，使得结构进一步得以简化。输出轴7另一端装有另一个半球面转子4。为了将转子的扭矩传递给输出轴7，在半球面转子4上设计了一个扁形孔(如附图1截面所示)，从而降低小零件加工的难度。采用具有非线性特性的蝶形弹簧5来调节定、转子之间的预压力、以保证恒定的预压力。双转子驱动的结构使得电机的输出性能和效率得以进一步提高。
每片压电陶瓷片表面镀银，不分区。极化后的压电陶瓷片在厚度方向受到正电场作用，由于压电效应，在其长度方向(即金属柱体的母线方向)产生伸长变形。反之，受到与极化方向相反的电场作用时就会产生收缩变形。陶瓷片伸长和收缩变形产生的剪切力可以使金属柱体产生横向弯曲，如附图2(a)。取4片压电陶瓷片，分成二组，分别称为A相和B相，如附图2(b)。定子的有限元模型如附图3(a)所示。当A相单独以某一频率激振时，可以分别激起x和y方向的弯振，这两个相互垂直的弯振的合成，定子就呈现一阶旋转弯曲模态，定子两个端面形成B01行波，从而使定子两个端面上的任一质点产生椭圆运动。正是这个椭圆运动，加上定、转子间的预压力，使定、转子间产生摩擦力，推动转子转动。同样的原理，当B相单独激振时，可以在定子两个端面形成方向相反的B01行波，从而推动转子沿着相反的方向转动。单相驱动下电机的工作原理如附图3(b)所示。
权利要求
1.一种双转子柱体行波型单相驱动超声电机，包括定子、转子、预压力调节机构，其特征在于，所述定子由压电陶瓷片(2)相互垂直的粘结在空心金属柱体(3)的外扁平面表面上，扁平面处于金属柱体一阶弯曲振动的波腹处；所述转子为双转子结构，其中半球面转子(1)与输出轴(7)成一整体，置于金属柱体(3)下端的内锥面内，半球面转子(4)套入输出轴(7)另一端，置于金属柱体(3)上端的内锥面内；所述预压力调节机构的碟形弹簧(5)置于半球面转子(4)与套装在输出轴(7)的螺母(6)之间。
全文摘要
一种双转子柱体行波型单相驱动超声电机，属于微电机领域。主要由金属柱体(3)、压电陶瓷片(2)、转子(1)和(4)、输出轴(7)、蝶形弹簧(5)和压紧螺母(6)构成，将压电陶瓷片(2)相互垂直的粘结在金属柱体(3)中部的扁平表面上。输出轴(7)的一端为半球面转子(1)结构，直接压于金属柱体(3)的一端内锥面上，同时通过蝶形弹簧(5)将另一半球面转子(4)压于金属柱体(3)另一端的内锥面上。定、转子之间的预压力通过调节压紧螺母(6)改变碟形弹簧(5)的变形来获得。当通入交流电压时，金属柱体(3)两端面上的质点做椭圆运动，定、转子间即可产生摩擦力，推动转子转动，通过轴(7)输出。该电机具有行波型超声电机的优点外，还具有单相驱动、结构简单、成本低、散热快、稳定性好、效率高、易于微型化等特点。
文档编号H02N2/10GK1610238SQ200410065700
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月12日 优先权日2004年11月12日
发明者赵淳生, 朱华 申请人:南京航空航天大学