[发明专利]夹心式圆筒定子及使用该定子的超声电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种夹心式圆筒定子及使用该定子的超声电机，属于压电超声电机技术领域。

背景技术

压电超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，在弹性体中激励出超声频段内的振动，在弹性体表面特定点或特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，进而通过定子、转子之间的摩擦耦合将质点的微观运动转换成转子的宏观运动，具有低速大转矩、无需变速机构、无电磁干扰、响应速度快和断电自锁等优点，作为一种压电驱动器有着十分广泛的应用。出于激励原理的简单性和理论分析方法的简便性，目前压电超声电机大多采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励，由于受压电陶瓷的d₃₁模式机电耦合效率和陶瓷材 料抗拉强度低，以及胶层的强度和疲劳寿命等的限制，这样的激励方式使得超声电机的机械输出能力受到严重制约。

发明内容

为了解决现有超声电机存在的由于采用金属弹性体粘贴压电陶瓷薄片的方式进行激励而导致的机械输出能力受制约的问题，本发明提供了一种夹心式圆筒定子及使用该定子的超声电机。

夹心式圆盘定子，它由驱动圆筒和偶数个驱动组件组成；所述驱动圆筒由圆筒、薄壁环和法兰组成；所述薄壁环设置在圆筒和法兰之间；所述圆筒的中心轴、薄壁环的中心轴和法兰的中心轴位于同一轴线上；所述驱动组件由两个悬臂梁、四片压电陶瓷片、调整垫片、铜片电极、预紧螺钉、预紧螺母和绝缘套组成；所述两个悬臂梁的侧端面与圆筒的外表面固定连接，四片压电陶瓷片装设在所述两个悬臂梁之间，两对压电陶瓷片之间装设有调整垫片，在每相邻两片压电陶瓷片之间、压电陶瓷片与调整垫片之间以及悬臂梁与压电陶瓷片之间分别装设有铜片电极；在所述压电陶瓷片、调整垫片和铜片电极三个部件分别和预紧螺钉之间装设有绝缘套；所述四片压电陶瓷片沿厚度方向极化且相邻两个压电陶瓷片的极化方向相反；所述悬臂梁、压电陶瓷片、调整垫片和铜片电极通过预紧螺钉和预紧螺母紧固连接成一体。

使用夹心式圆筒定子的超声电机，它由夹心式圆筒定子、转子组件、外罩、轴承座、轴承预紧盖、轴承、第一螺钉组、第二螺钉组和第三螺钉组组成；所述转子组件由带轴转子、无轴转子、联接键、橡胶垫、碟形弹簧、锁紧螺母、胀圈和膨胀环组成；所述带轴转子和无轴转子为圆台形，带轴转子的细端和无轴转子的细端分别从夹心式圆筒定子圆筒的下方和上方嵌入并通过联接键相连；胀圈安装在带轴转子和无轴转子的外表面；膨胀环安装在胀圈的外表面；所述轴承座通过第一螺钉组固定在夹心式圆筒定子法兰上；所述带轴转子通过安装在轴承座上的轴承与夹心式圆筒定子转动联接，轴承通过轴承预紧盖和第二螺钉组实现预紧；转子组件通过装设在无轴转子上端面的橡胶垫、碟形弹簧和锁紧螺母实现预紧；外罩通过第三螺钉组装设在夹心式圆筒定子法兰上。

本发明提供的夹心式圆筒定子，压电陶瓷元件采用夹心结构，采用压电陶瓷高机电耦合效率的d₃₃模式工作，解决粘贴压电陶瓷片式压电超声电机机电耦合效率低、机械输出能力差的问题，并通过圆筒和悬臂梁的一体化构型简化了结构，提高了圆筒弹性体表面质点振动轨迹的可控性。当圆筒工作在n阶弯曲振动模态时，夹心式圆筒定子所含驱动组件的个数最多为2(n-1)，其中n∈{2，3，4，...}，任意两个驱动组件中心面之间的夹角θ₁满足：θ₁＝90°×m/n，其中m∈{3，...，4n-3}，所有驱动组件分为两组进行激励，同组任意两个驱动组件中心面之间的夹角θ₂满足：θ₂＝180°×m/n，其中m∈{2，...，2n-2}；可根据实际需要的输出力矩和尺寸限制灵活的选择圆筒定子弯振模态的阶数和驱动组件的个数。利用压电陶瓷片的纵向振动，通过控制输入激励信号，实现两组驱动组件在定子圆筒上激励出两个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的弯振模态响应，两个弯振模态响应叠加在定子圆筒上形成行波，进而定子驱动齿表面质点产生椭圆运动轨迹，通过和转子组件之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出。本发明通过调整压电陶瓷片矩形截面两边比值、圆筒内径尺寸、圆筒外径尺寸、以及圆筒的高度实现驱动组件纵振固有频率和圆筒弯振固有频率之间的简并。薄壁环可以实现弹性支撑和振动隔离，将定子组件与外部零件的联接对圆筒的弯曲振动模态的影响程度降到最低。