并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机的制作方法

本发明涉及一种并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机。

背景技术：

目前，驻波型直线超声波电机有两类，一类是复合模态电机，一类是单模态电机。前者工作时定子中有两个模态，因此其结构设计相对复杂，后者工作时只采用一个模态，故设计相对简单，但其驱动方向为单向。驻波型直线超声波电机定子结构一般是直线，其输出也一般是直线。

目前现有的驻波型直线超声波电机存在着或结构设计相对复杂，或难以实现双向选择旋转的问题。

上述问题是在驻波型直线超声波电机的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机解决现有技术中存在的或结构设计相对复杂，或难以实现双向选择旋转的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机，包括定子和转子，转子包括内转子和外转子，内转子和外转子固定在一起，定子设于内转子和外转子间，定子包括若干定子单元和鼠笼型拉杆结构，定子单元包括弹性体、左端压电陶瓷和右端压电陶瓷，弹性体采用弧形结构，弹性体通过鼠笼型拉杆结构定位且弹性体共同排列形成环形，每个弹性体的两端分别设有左端压电陶瓷和右端压电陶瓷，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷分别采用径向方向极化的压电陶瓷；当陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用陶瓷扭振模式激励定子弹性体产生面内一阶弯振，弹性体的内表面设有两个内驱动足，弹性体的外表面设有两个外驱动足；通过鼠笼型拉杆结构，使内驱动足与内转子接触或外驱动足与外转子接触，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元驻波波节位置，定子单元在波节位置弹性体振幅为零。

进一步地，鼠笼型拉杆结构包括圆环和多根t形拉条，在轴向上通过多个圆环将所有t形拉条固定，构成鼠笼型拉杆结构；在t形拉条互为直角的两个面间各置有一根铜条，铜条和t形拉条之间保持绝缘；铜条和t形拉条之间通过凹凸结构楔合在一起，当铜条和t形拉条之间发生轴向相对位移，铜条发生径向方向位移；鼠笼型拉杆结构的t形拉条一端在径向和周向固定，铜条在同一端轴向固定，轴向方向上拉动鼠笼型拉杆结构，来推动铜条在径向方向上发生位移；鼠笼型拉杆结构和铜条共同插入内转子与外转子之间。

进一步地，内转子与外转子通过铜条在圆周方向和轴向方向并联固定多个弧型定子单元，每个定子单元的左端压电陶瓷、右端压电陶瓷两块压电陶瓷经外端部侧面粘结于两根铜条上；内转子与外转子间的距离大于定子单元的厚度，以使弧型定子单元的内表面、外表面中始终只有一面的驱动足与内转子或外转子接触。

进一步地，随着铜条在径向方向的位移，各定子单元的外驱动足与外转子接触，或内驱动足与内转子接触；当外驱动足与外转子接触时，外驱动足驱动外转子正转，当内驱动足与内转子接触时，内驱动足驱动内转子反转。

进一步地，定子单元的左端压电陶瓷和右端压电陶瓷两块压电陶瓷采用如下三种布置方案中任一种：方案一，两块压电陶瓷极化方向均为径向方向的正方向，两块压电陶瓷在径向和轴向方向上具有相同大小和正负的参数，在周向上其大小相等，符号相反；其二，两块压电陶瓷极化方向一块为正径向方向，另一块为负径向方向，两块压电陶瓷在轴向方向具有相同大小和正负的参数，在径向和周向上其大小相等，符号相反；其三，两块压电陶瓷极化方向一块为正径向方向，另一块为负径向方向，两块压电陶瓷在周向方向具有相同大小和正负的参数，在径向和轴向上其大小相等，符号相反。

进一步地，与左端压电陶瓷、右端压电陶瓷粘结在一起的铜条为定子单元供电，在左端压电陶瓷和右端压电陶瓷中产生周向方向电场；同一定子单元上的左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的外端部侧面所接电源一个为电源正极，另外一个为电源负极。

进一步地，定子是由若干个定子单元在周向和轴向上并联而成。

本发明的有益效果是：

一、该种并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机，在单模态驻波型直线超声波电机设计简单的优势上，将驻波型直线超声波电机定子弯曲，以在圆周的周向上获得输出。并借助弧型定子单元的特征，实现并联，双向选择旋转等功能。

二、该种并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机，通过鼠笼型拉杆结构，实现内外驱动足与内外转子的选择性接触，进而可实现单模态驻波型直线超声波电机的正向旋转运动或反向旋转运动。

三、本发明采用弧型定子弹性体，将单模态驻波型直线超声波电机的直线运动转换为旋转运动。采用弧型定子弹性体，因此多个定子弹性体共同并联驱动同一圆形转子，具有方便性，能够提高电机的输出。

四、本发明中，左端压电陶瓷、右端压电陶瓷位于定子弹性体端部，利用压电陶瓷的扭振模式激励弹性体振动；且由于压电陶瓷在周向上较短，故压电陶瓷可采用弧形结构，也可近似采用长方体结构。因此压电陶瓷的制备和安装具有优势。

五、虽然每个定子单元有两个压电陶瓷，但本发明设计的陶瓷布置方案，使每个定子单元只需接一个电源，即将两块压电陶瓷分别接电源的两极就可在陶瓷中形成需要的电场，电源简单，接线方便。定子单元的通电和固定均是通过铜条实现，电机结构紧凑、接线简单。

附图说明

图1是本发明实施例并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机的结构示意图。

其中：1-外转子，2-鼠笼型拉杆结构，3-铜条，4-定子单元，5-内转子。

图2是实施例中采用z型弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图3是实施例中采用t型弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图4是实施例中采用u型弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图5是实施例中采用十字型弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图6是实施例中采用端部无凸出结构的弹性体的弯曲型定子单元的结构示意图。

其中：35-弹性体，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷。

图7是实施例中定子单元压电陶瓷布置方案一的说明示意图。

其中：1l、2l、3l、4l、5l、6l-左端压电陶瓷六个自由度方向，1r、2r、3r、4r、5r、6r-右端压电陶瓷六个自由度方向。

图8是实施例中定子单元压电陶瓷布置方案二的说明示意图。

其中：1l、2l、3l、4l、5l、6l-左端压电陶瓷六个自由度方向，1r、2r、3r、4r、5r、6r-右端压电陶瓷六个自由度方向。

图9是实施例中定子单元压电陶瓷布置方案三的说明示意图。

其中：1l、2l、3l、4l、5l、6l-左端压电陶瓷六个自由度方向，1r、2r、3r、4r、5r、6r-右端压电陶瓷六个自由度方向。

图10是实施例中鼠笼型拉杆结构的t形拉条的结构示意图。

其中：21-t形拉条，22-圆环，23-楔形凹槽。

图11是实施例中铜条的结构示意图。

其中：3-铜条，24-楔形凸出。

图12是实施例中铜条与t形拉条的工作原理图。

其中：3-铜条，21-t形拉条，23-楔形凹槽，24-楔形凸出，v1-t形拉条运动方向，v2-铜条径向运动方向。

图13是实施例中外驱动足的运行机理图。

其中：1-外转子，5-内转子，31-左内驱动足，32-右内驱动足，33-左外驱动足，34-右外驱动足，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷，38-振幅为零时定子单元的中性线，39-振幅最大时定子单元的中性线，a-定子单元左侧驻波波节位置，b-定子单元右侧驻波波节位置。

图14是实施例中内驱动足的运行机理图。

其中：1-外转子，5-内转子，31-左内驱动足，32-右内驱动足，33-左外驱动足，34-右外驱动足，36-左端压电陶瓷，37-右端压电陶瓷，38-振幅为零时定子单元的中性线，39-振幅最大时定子单元的中性线，a-定子单元左侧驻波波节位置，b-定子单元右侧驻波波节位置。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机，如图1，包括定子和转子，转子包括内转子5和外转子1，内转子5和外转子1固定在一起，定子设于内转子5和外转子1间，定子包括若干定子单元4和鼠笼型拉杆结构2，定子单元4包括弹性体35、左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35采用弧形结构，弹性体35通过鼠笼型拉杆结构2定位且弹性体35共同排列形成环形，每个弹性体35的两端分别设有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37分别采用径向方向极化的压电陶瓷；当陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用陶瓷扭振模式激励定子弹性体35产生面内一阶弯振，弹性体35的内表面设有两个内驱动足，弹性体35的外表面设有两个外驱动足；通过鼠笼型拉杆结构2，使内驱动足与内转子5接触或外驱动足与外转子1接触，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元4驻波波节位置，定子单元4在波节位置弹性体振幅为零。

该种并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机，在单模态驻波型直线超声波电机设计简单的优势上，将驻波型直线超声波电机定子弯曲，以在圆周的周向上获得输出。并借助弧型定子单元4的特征，实现并联，双向选择旋转等功能。该种并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机，通过鼠笼型拉杆结构2，实现内外驱动足与内外转子1的选择性接触，进而可实现单模态驻波型直线超声波电机的正向旋转运动或反向旋转运动。

实施例中，鼠笼型拉杆结构2包括圆环22和多根t形拉条，在轴向上通过多个圆环22将所有t形拉条固定，构成鼠笼型拉杆结构2；在t形拉条互为直角的两个面间各置有一根铜条3，铜条3和t形拉条之间保持绝缘；铜条3和t形拉条之间通过凹凸结构楔合在一起，当铜条3和t形拉条之间发生轴向相对位移，铜条3发生径向方向位移；鼠笼型拉杆结构2的t形拉条一端在径向和周向固定，铜条3在同一端轴向固定，轴向方向上拉动鼠笼型拉杆结构2，来推动铜条3在径向方向上发生位移；鼠笼型拉杆结构2和铜条3共同插入内转子5与外转子1之间。

内转子5与外转子1通过铜条3在圆周方向和轴向方向并联固定多个弧型定子单元4，每个定子单元4的左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37两块压电陶瓷经外端部侧面粘结于两根铜条3上；内转子5与外转子1间的距离大于定子单元4的厚度，以使弧型定子单元4的内表面、外表面中始终只有一面的驱动足与内转子5或外转子1接触。

随着铜条3在径向方向的位移，各定子单元4的外驱动足与外转子1接触，或内驱动足与内转子5接触；当外驱动足与外转子1接触时，外驱动足驱动外转子1正转，当内驱动足与内转子5接触时，内驱动足驱动内转子5反转。

该种并联可双向选择旋转式驻波型直线超声波电机，其由多个弧型定子单元4在周向和轴向上并联而成；鼠笼型拉杆结构2、铜条3、定子单元4组合在一起一同插入内转子5和外转子1之间；定子单元4固定于铜条3之上，同时铜条3给定子单元4供电；铜条3通过凹凸结构与鼠笼型拉杆结构2结合在一起，当鼠笼型拉杆结构2和铜条3发生轴向相对位移，铜条3将在径向发生位移。

实施例中，定子单元4通过铜条3固定和通电，铜条3镶嵌于鼠笼型拉杆结构2并同时在轴向固定，当鼠笼型拉杆结构2在轴向发生位移，通过铜条3与鼠笼型拉杆结构2间的楔形匹配结构，铜条3在径向方向上带动定子单元4发生位移，可以分别与内转子5或外转子1接触。定子单元4为弧型结构，在内外表面各布有两个驱动足，在通电时会产生面内驻波，当外驱动足与外转子1接触时，电机正转，内驱动足与内转子5接触时，电机反转。由于定子单元4为弧型结构，因此多个定子单元4可以共同作用于同一圆形转子，在周向和轴向上形成并联。

实施例中，铜条3帮助固定定子单元4并为定子单元4供电，铜条3自身连接于鼠笼型拉杆结构2，通过鼠笼型拉杆结构2的轴向位移实现铜条3的径向位移，实现定子单元4与内外转子1的选择性接触。与目前流行的直线型超声波电机相比，该电机结构紧凑、可实现双向选择旋转力矩输出。

实施例中，与左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37粘结在一起的铜条3为定子单元4供电，在左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37中产生周向方向电场；同一定子单元4上的左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37的外端部侧面所接电源一个为电源正极，另外一个为电源负极。

如图2、图3、图4、图5和图6，实施例中弹性体35可采用多种形式，图2-6中五种结构均是实施例中优选使用的定子单元3的弹性体35结构。

图2中，z型弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

图3中，t型弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

图4中，u型弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

图5中，十字型弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

图6中，端部无凸出结构弹性体35两端粘结有左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37，弹性体35内外表面各布有两个内驱动足、两个外驱动足，内驱动足、外驱动足反向同弧度偏离定子单元3驻波波节位置。

左端压电陶瓷36的外端部侧面接电源正极，右端压电陶瓷37的外端部侧面接电源负极，从而在左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37中产生周向顺时针方向电场。

如图7，定子单元3两端的左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37的布置方案一，左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37两块压电陶瓷的参数大小相等，两块压电陶瓷具有相同的2、3、5、6自由度方向，具有相反的1、4自由度方向，极化方向为3自由度方向。即两块压电陶瓷的极化方向均为电机的径向正方向，两块压电陶瓷在径向和轴向方向具有相同大小和正负的参数，在周向方向参数的大小相等，符号相反。当压电陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用压电陶瓷扭振模式，各自在5l和5r方向进行交替形变，且时间相位相差180°，激励定子弹性体35产生一阶弯振。

如图8，定子单元3两端的左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37的布置方案二，两块压电陶瓷的参数大小相等，左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37两块压电陶瓷具有相同的2、5自由度方向，具有相反的1、3、4、6自由度方向，极化方向为3自由度方向。即两块压电陶瓷的极化方向相反，一块为正径向极化方向，一块为负径向极化方向。两块压电陶瓷在轴向方向具有相同大小和正负的参数，在周向和径向方向参数的大小相等，符号相反。当压电陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用压电陶瓷扭振模式，各自在5l和5r方向进行交替形变，且时间相位相差180°，激励定子弹性体35产生一阶弯振。

如图9，定子单元3两端的左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37的布置方案三，两块压电陶瓷的参数大小相等，左端压电陶瓷36、右端压电陶瓷37两块压电陶瓷具有相同的1、4自由度方向，具有相反的2、3、5、6自由度方向，极化方向为3自由度方向。即两块压电陶瓷的极化方向相反，一块为正径向极化方向，一块为负径向极化方向。两块压电陶瓷在周向方向具有相同大小和正负的参数，在轴向和径向方向参数的大小相等，符号相反。当压电陶瓷施加圆周方向的交变电场时，利用压电陶瓷扭振模式，各自在5l和5r方向进行交替形变，且时间相位相差180°，激励定子弹性体35产生一阶弯振。

如图10，鼠笼型拉杆结构2包括多根t形拉条21和圆环22，t形拉条21在轴向上通过多个圆环22固定，构成稳固的鼠笼型拉杆结构2。t形拉条21上开有楔形凹槽23。鼠笼型拉杆结构2一端在径向和周向固定。

如图11，铜条3设有楔形凸出24，楔形凸出24与楔形凹槽23适配。铜条3在一端轴向固定。

如图12，铜条3和t形拉条21通过楔形凸出24和楔形凹槽23咬合在一起，铜条3和t形拉条21之间保持绝缘。在t形拉条21互为直角的两个面间各置有一根铜条3。当铜条3和t形拉条21之间发生轴向相对位移，铜条3发生径向方向位移。通过外力在轴向方向上对鼠笼型拉杆结构2施加向外的拉力，鼠笼型拉杆结构2上的t形拉条21可以通过楔形凹槽23和楔形凸出24推动铜条3在径向方向上发生正向位移，定子单元4的外驱动足与外转子1接触；通过外力在轴向方向上向内推动鼠笼型拉杆结构2，鼠笼型拉杆结构2上的t形拉条21可以通过楔形凹槽23和楔形凸出24推动铜条3在径向方向上发生负向位移，定子单元4的内驱动足与内转子5接触。

如图13，定子单元4的外驱动足驱动电机正转的运动机理如下：

a、b分别为振幅为零时定子单元的中性线38与振幅最大时定子单元的中性线39的左右交点，即定子左侧驻波波节位置与定子右侧驻波波节位置。内驱动足包括左内驱动足31和右内驱动足32，左内驱动足31偏离定子单元3左侧驻波波节位置和右内驱动足32偏离定子单元3右侧驻波波节位置同向同弧度。外驱动足包括左外驱动足33和右外驱动足34，左外驱动足33偏离定子单元3左侧驻波波节位置和右外驱动足34偏离定子单元3右侧驻波波节位置同向同弧度。左内驱动足31偏离定子单元3左侧驻波波节位置和左外驱动足33偏离定子单元3左侧驻波波节位置反向同弧度。

以一个定子单元4为例，定子单元4的左外驱动足33、右外驱动足34与外转子1接触；左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37接电源正负极，定子单元4的弹性体35发生谐振；首先，右外驱动足34受到向左上方的推力，与外转子1接触，左外驱动足33受到向右下方的拉力，与外转子1逐渐脱离，右外驱动足34摩擦力大于左外驱动足33的摩擦力，则转子在右外驱动足34的作用下正转。接着随着时间推移，左外驱动足33受到向左上方的推力，与外转子1接触，右外驱动足34受到向右下方的拉力，与外转子1逐渐脱离，左外驱动足33摩擦力大于右外驱动足34的摩擦力，则外转子1在左外驱动足33的作用下正转。随着时间继续推移，电机将重复上述两个步骤，连续正转。

如图14，定子单元4的内驱动足驱动电机反转的运动机理如下：

a、b分别为振幅为零时定子单元的中性线38与振幅最大时定子单元的中性线39的左右交点，即定子单元左侧驻波波节位置与定子单元右侧驻波波节位置。

以一个定子单元4为例，定子单元4的左内驱动足31、右内驱动足32与内转子5接触；左端压电陶瓷36和右端压电陶瓷37接电源正负极，定子单元4的弹性体35发生谐振；首先，左内驱动足31受到向右下方的推力，与内转子5接触，右内驱动足32受到向左上方的拉力，与内转子5逐渐脱离，左内驱动足31摩擦力大于右内驱动足32的摩擦力，则内转子5在左内驱动足31的作用下反转；接着随着时间推移，右内驱动足32受到向右下方的推力，与内转子5接触，左内驱动足31受到向左上方的拉力，与内转子5逐渐脱离，右内驱动足32摩擦力大于左内驱动足31摩擦力，则内转子5在右内驱动足32的作用下反转。随着时间继续推移，电机将重复上述两个步骤，连续反转。