[发明专利]多转子圆筒形大力矩超声波电机

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种超声波应用技术领域的装置，具体是一种面内振动的多转子圆筒形大力矩超声波电机。

背景技术

超声波电机是利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声波电机的定子的振动能，再通过摩擦作用把振动能转化为运动部件的旋转或者直线运动。它一般主要由定子、转子(动子)及预压力机构等组成。与传统电磁电机相比，超声波电机具有许多特点和优点，比如：

1、结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化。

2、低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动。

3、电机响应速度快，并且能实现断电自锁。

4、位置和速度控制性好，位移分辨率高。

5、超声波电机是通过振动摩擦进行能量转换的，在转换过程中不产生磁场，亦不受外界磁场干扰，抗电磁干扰能力强。

6、安静无噪声。超声波电机工作在超声频段，由于不需要齿轮等减速机构，所以可以安静无噪声的运行。

7、设计灵活，结构形式多样化。

行波型超声波电机是一种常见的超声波电机，因为其紧凑的薄片形结构，工作稳定，功率较大而获得广泛应用。行波型超声波电机的工作原理如图1所示，其主要由输出轴、转子、端盖、定子、底座、压电片组成。压电片在定子上激励出沿周向传播的行波振动，定子、转子之间通过摩擦作用把定子基体的振动能量转化为转子的旋转运动。

为了获得更大的输出力矩，人们尝试采用改进行波型超声波电机的结构，提出了单定子双转子结构，结构示意图如图2所示，其主要由转子、压电陶瓷元件、摩擦材料、定子组成。由压电陶瓷在定子上激励出行波，利用定子正反两个驱动表面来驱动转子运转。由于定子两面的振动特性一致性好，所以单定子双转子结构行波型超声波电机的稳定性很好，力矩也得到显著提高。

为了进一步提高输出力矩，又出现了一种双定子单转子的尝试，其结构示意图如图3所示。其主要由定子、转子、压电陶瓷元件、摩擦材料组成。上下两个定子同时压紧转子，通过对上下定子同时激励使上下两个定子同时产生形变，两个定子共同作用于转子。但是，由于两个定子的工作频率、转速、振幅等均不一致，因此损耗严重，振动效率低，模态干扰严重，工程上很难实现。多个电机串联的方法同样存在上述问题无法克服，其不同的定子要分别激励，定子的激励变得困难，且很难保证同步，因此输出力矩也不是线性叠加，反而不稳定，甚至比单电机更小。

微型化也是超声波电机的一个发展趋势。如何获得稳定的更大力矩，特别是在有些空间狭小，不适合盘形行波电机安装的场合，如何获得大力矩就成为一个难题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多转子圆筒形大力矩超声波电机，利用细长的筒形定子可以粘贴较多的压电陶瓷的优点增加了定子振动的能量密度，因而大大提高了电机的输出力矩；同时利用定子上面内行波传播的角速度一致的特点，使得定子驱动多转子同步旋转，得到统一的输出速度，有利于电机稳定工作；细长结构也有利于在狭长空间里应用。本发明提出的新型大力矩电机，将有利于拓展超声波电机的应用领域。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：压电陶瓷元件、定子、转子和定位机构，其中：一个或多个转子依次垂直设置于定位机构上并与定子相接触，定位机构、转子和定子均为同轴设置，压电陶瓷元件设置于定子的外部且转子设置于定子的内部或压电陶瓷元件设置于定子的内部且转子设置于定子的外部。

所有转子均以相同角速度同步转动；

所述的定子的内壁或外壁为中心对称结构，其截面为圆形或多边形，定子上设有若干个对应转子的驱动表面以驱动多个同轴的转子同步旋转。

所述的转子为圆盘状结构或圆环状结构，其中：

所述的圆盘状结构的转子之间设有弹性机构，转子与所述驱动表面的形状相匹配且弹性机构和驱动表面分别位于任一转子的两侧。

所述的弹性机构为压簧；

所述的圆环状结构的转子为开放式圆环，该开放式圆环的两端设有拉簧以实现转子卡紧于定子上。

所述的定位机构为定位轴或定位盖，当转子设置于定子的内部时，定位机构位于定子的内部且转子固定设置于定位机构上；当转子设置于定子的外部时，定位机构位于定子的两端且与转子相接触。

当定子的内壁的截面为圆形时，则压电陶瓷元件以定子轴向方式设置于定子的外壁；当定子的外壁的截面为圆形时，则压电陶瓷元件以定子轴向方式设置于定子的内壁。

压电陶瓷以定子轴向方式设置在定子上，能在定子上激励出如图5所示的振型，即定子上质点振动是二维振动，没有沿轴向的振动，即所述的定子上质点的振动轨迹总在其所在的垂直于轴线的平面内。