[发明专利]纵振夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机

说明书

技术领域

本发明涉及到一种纵振夹心换能器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，本发明提供了一种纵振夹心换能器式圆筒定子及使用该定子的超声电机。

本发明的纵振夹心换能器式圆筒定子，由圆筒和偶数个纵振夹心换能器组成；所述偶数个纵振夹心换能器对称固定在圆筒的侧壁上，每个夹心换能器由变幅杆、后端盖、两对压电陶瓷片、法兰、薄铜电极片和绝缘套组成；变幅杆是截面为矩形并逐渐变细的四棱柱体，变幅杆的小端面和圆筒的外侧表固定连接；法兰的截面为“L”形，所述法兰通过螺钉固定在变幅杆的大端和后端盖之间，所述法兰位于换能器的纵向振动的节面位置；两对压电陶瓷片分别位于法兰的两侧，所述压电陶瓷片沿厚度方向极化，每对压电陶瓷片中的两片压电陶瓷片的极化方向相反，所述每对压电陶瓷片中的两片压电陶瓷片之间、一对压电陶瓷片和变幅杆之间、另一对压电陶瓷片和法兰之间均固定有薄铜片电极；在每片压电陶瓷片、法兰和固定法兰的螺钉之间有绝缘套。

使用纵振夹心换能器式圆筒定子的超声电机，由定子、转子组件、外罩和基座组成；所述转子组件由带轴转子、无轴转子、联接健、耐磨衬圈、橡胶垫、碟形弹簧和锁紧螺母组成；其中带轴转子和无轴转子为圆台形，所述带轴转子和无轴转子的细端分别从定子的圆筒的上方和下方嵌入，所述无轴转子通过联接键固定在带轴转子的力矩输出轴上，在带轴转子和无轴转子与圆筒相接触的侧面分别固定有耐磨衬圈，在无轴转子的下面采用橡胶垫、碟形弹簧和锁紧螺母实现带轴转子和无轴转子的预紧，定子通过换能器上的法兰固定在基座上。

本发明提供的纵振夹心换能器式圆筒定子，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，还通过变幅杆和圆筒一体化结构简化了结构，提高了圆筒弹性体表面质点振动轨迹的可控性，消除采用其它方式联接换能器和圆筒对定子振动波形所带来的不利影响。当圆筒工作在n阶弯振模态时，本发明提供的纵振夹心换能器式圆筒定子所含换能器个数最多为4n，任意两个换能器轴线之间的夹角θ₁满足：θ₁＝90°×m/n，其中m∈{1，2，...，4n-1}；所有换能器分为两组，同组任意两个换能器之间的夹角θ₂满足：θ₂＝180°×m/n，其中m∈{1，...，2n-1}；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换能器个数。利用压电陶瓷片的纵向振动在夹心换能器中激励出纵向振动，通过控制输入激励信号，实现两组换能器在圆筒定子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上形成行波，进而在定子齿表面质点产生椭圆运动轨迹，通过和转子之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出。本发明通过调整变幅杆两个端面的面积比值、变幅杆矩形截面两边比值、后端盖长度、圆筒内径尺寸以及圆筒外径尺寸实现换能器纵振固有频率和圆筒弯振固有频率之间的简并。变幅杆采用变截面设计起到振动能量的聚敛作用，可提高驱动齿表面质点的振幅和振速，使得电机性能得到提高。

本发明提供的使用纵振夹心换能器式圆筒定子超声电机转子表面粘接了耐磨衬圈，耐磨衬圈和定子齿采用锥面接触，增加了接触区域，可提高电机输出力矩，延长使用寿命，有效的消除噪声；通过定子齿上下两个锥面实现了转子组件的定位，实现了无轴承支撑；两个转子均加工有工艺孔，降低了转子的转动惯量，可改善电机动态输出特性。