专利名称：微型杆式行波型超声电机的制作方法
技术领域：
本发明的微型杆式行波型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。其中杆式行波型超声电机属于行波型超声电机的一种。因为在尺寸较小时超声电机比传统电机具有更独特的优势，所以微型化是超声电机发展的趋势。现有的杆式行波型电机设计体积较大，安装固定不方便，大大限制了这种电机的应用。
发明内容
本发明的目的就在于研制一种体积更小，更易于加工、装配和使用，效率更高，应用范围更广的微型杆式行波型超声电机。
为实现上述目的，本微型杆式行波型超声电机的定子设计采用一端固支另一端自由的边界条件，采用转子轴直接输出动力。具体组成是定子包括与外壳下端胶粘相连的底座，上配重块与底座通过底座实心轴螺纹相连接，中间夹装有电极片组的压电陶瓷组置于内端面与上配重块下端面之间的外壳内；转子下端面与上配重块上端面接触，碟形弹簧置于转子上端面上，转子轴通过轴承与置于外壳上端面的压块相连并定位。
本发明与现有技术相比，结构更加紧凑，加工和装配都易于实现较高的精度，同时更便于安装和应用，特别适合于微型、精密机械的驱动装置。
图1是微型杆式行波超声电机的结构示意图。
图1中的标号名称1、底座，2、电极片组，3、压电陶瓷片组，4、上配重块，5、外壳，6、转子，7、蝶形弹簧，8、轴承，9、压块。
图2是电机定子有限元模型及工作模态示意图。
具体实施例方式本发明是基于利用压电陶瓷片的压电效应激出一端固支和一端自由的弹性梁的二阶弯曲振动模态而研制成的新型超声电机。它主要由定子、转子、壳体等三部分组成。图1是本发明的具体结构示意图，由图可知，电机的定子由底座1和上配重块4将压电陶瓷组3(共5片)/电极片组2(共6片)，通过底座轴上的螺杆压紧形成弹性梁。底座与外壳胶接，形成振子一端固支另一端自由的边界条件。这样电机安装更加方便、可靠，不会对因为安装位置而影响电机的工作模态。上配重块4成带外圆环凹槽。凹槽尺寸和位置经有限元优化设计计算确定，以获得最佳共振频率及最大的定子端面振幅。上端部设有喇叭口，目的是加大振幅和减小电机本身重量。压块9与外壳5是滑动配合，对转子6进行定位，保证转子6与上配重块4的接触位置，同时压紧蝶形弹簧7，提供定、转子之间的预压力。蝶形弹簧7具有非线性的特点，在给定、转子间提供恒定的预压力的同时也缩小了电机的空间尺寸。压块9上有四个螺纹孔，用于安装固定电机。压块9与转子轴之间是滚动轴承8，起到对转子的径向支撑和定位作用。转子6与上配重4端面的接触部分采用内凹槽的柔性转子，其良好的弹性可以减小径向滑移，提高摩擦传动的效率。当电机预压力调节合适时，将压块9和外壳5胶粘为一体。这种结构保证了在电机尺寸较小时良好的装配精度。同时由于定子部分位于外壳5内部，这样电机工作更加安全和稳定。
每片压电陶瓷片表面镀银，下面不分区，上面二分区，其中一分区进行正向极化，另一分区反向极化。极化后的压电陶瓷片受电场作用会产生变形。极化方向与电场方向相同的分区产生伸长变形，极化方向与电场方向相反的分区产生压缩变形。于是，一片压电陶瓷片在交变电场作用下，就可使定子产生横向弯曲振动。附图2(a)是电机定子部分的有限元模型。取4片压电陶瓷片，分成二组，分别称为A相和B相。当A相通以sinωt(其频率等于定子二阶弯曲振动模态频率)交变电压时，定子将产生左右弯曲共振，如附图2(b)的A相工作模态所示；当B相通以和A相同频、同幅的cosωt交变电压时，定子产生前后弯曲共振，如附图2(c)的B相工作模态所示。如果将这两个电压同时分别加到A相和B相，那么，这两个相互垂直的弯曲振动的合成，定子就呈现二阶旋转弯曲模态，定子上端面形成B01行波，从而使定子上端面上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，推动转子沿定子端面行波方向相反的方向转动。附图1中第五片压电陶瓷片作为反馈相，它是利用压电陶瓷片的正压电效应，产生交变电压，用以作为反馈电压对电机进行自动频率跟踪，从而保证电机的转速稳定。
本发明的转子采用新型带内凹槽柔性转子，更易于加工，如附图1中件6所示。经过优化设计的转子尺寸，保证了定、转子良好的接触，大大减少了定、转子之间的相对滑动，从而减少了能量损失，提高了电机的效率。
权利要求
1.一种微型杆式行波超声电机，包括定子、转子和外壳，其特征在于，所述定子包括与外壳(5)下端相连的底座(1)，上配重块(4)与底座(1)通过底座(1)实心轴螺纹连接，中间夹有电极片组(2)的压电陶瓷组(3)置于底座(1)内端面与上配重块(4)下端面之间的外壳(5)内；所述转子(6)下端面与上配重块(4)上端面接触，碟形弹簧(7)置于转子(6)上端面上，转子轴通过轴承(8)与置于外壳(5)上端面的压块(9)相连并定位。
2.根据权利要求1所述的微型杆式行波超声电机，其特征在于，转子(6)为内凹槽柔性转子。
3.根据专利要求1、2所述的微型杆式行波超声电机，其特征在于，上配重块(4)有一外圆环凹槽，端部呈喇叭口。
全文摘要
一种微型杆式行波型超声电机，属于微电机领域。其组成是定子部分由底座(1)和上配重块(4)将压电陶瓷组(3)和电极片组(2)通过底座(1)的螺杆旋紧而构成；转子部分由转子(6)、轴承(8)、蝶形弹簧(7)等构成；壳体部分由压块(9)和外壳(5)构成。通过压块(9)压紧蝶形弹簧(7)来施加电机定、转子的预压力。当电机通入超声频域内一定的交流电压时，定子部分上配重块(4)的上端表面质点形成椭圆运动。由于定、转子之间存在预压力，定、转子间即可产生摩擦力，这种摩擦力将推动转子转动。动力由转子轴输出。该超声电机具有行波型超声电机的优点外，还具有结构简单、成本低、效率高、不涉及陶瓷片的胶粘问题、易于加工和装配等优点。
文档编号H02N2/10GK1606227SQ20041006570
公开日2005年4月13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