[发明专利]开槽式纵扭复合型超声电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机，具体地，涉及一种开槽式纵扭复合型超声电机。

背景技术

超声电机(也可称为“超声波电机”，英文名是“Ultrasonic Motor”)是一种压电电机，其利用压电材料的逆压电效应，把电能转化为超声电机定子的振动能，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。与传统电磁电机相比，超声电机具有许多特点和优点，比如：一、结构紧凑，能量密度(转矩/质量)大，易于微型化。二、低速大力矩，无需齿轮减速机构，可以实现直接驱动。三、电机响应速度快，并且能实现断电自锁。四、位置和速度控制性好，位移分辨率高。五、超声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。六、安静无噪声。超声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。七、设计灵活，结构形式多样化。

超声电机具有重量轻、结构紧凑、驱动电压低等特点，使其特别适合用于设备和机构的直接驱动，而不需要减速机构。

纵扭复合型超声电机是超声电机的一种重要类型，它利用了定子的纵向振动和扭转振动的复合使定子驱动端面的质点产生椭圆运动轨迹，再通过定子和转子之间的摩擦作用驱动转子转动。与相同直径的行波型超声电机相比，纵扭复合型超声电机能提供较大的扭矩，并且定子驱动端面质点的法向和切向振动可分别由纵扭振压电元件独立激励，可以通过改变纵扭振输入电压的大小，实现方便地控制电机的机械输出特性。纵扭型超声电机基本上可以分为两大类，纵扭模态复合型和模态转换型。

通常，纵扭型超声电机的定子为细长轴型，电机采用两组压电陶瓷片，在定子上激励出一阶的纵向振动和二阶的扭转振动。设计时，将定子的一阶纵向振动模态频率和二阶扭转振动模态频率设计为相同，电机的工作模态为一阶纵向振动模态和二阶扭转振动模态的复合振动模态。工作时，两相激励信号的频率相同，且为定子的复合振动频率。有些纵扭电机将纵振压电陶瓷片和扭振压电陶瓷片分别装在定子、转子上，其工作效果类似，无本质区别。

纵振陶瓷片比较简单，为上下方向(轴向)极化，上下方向加电场的圆片；扭振陶瓷片要相对复杂很多，由八个扇形体小片粘接而成，利用压电陶瓷的d15逆压电效应，在陶瓷片上产生一个扭转角。

扭转型压电陶瓷片由于结构过于复杂，加工成本高，容易失效且不容易微型化等缺点，严重影响了纵扭电机的普及。为了解决这些问题，人们提出了模态转换型纵扭超声电机。Yukiyasu Kato在美国专利(美国专利号为US6469419B2)中提出的斜槽式模态转换式样纵扭超声电机，定子上的斜槽起到将纵向振动转化为扭转振动的作用。另外，Akio Kumada还提出了一种斜梁模态转化型的纵扭电机(美国专利号为US4642509)，其同样采用纵振压电陶瓷片激励出定子的纵向振动，靠斜梁转化为扭转振动。但这两种电机都存在旋转方向不可调，且力矩速度调节困难等问题。

微型化也是超声电机的一个发展趋势，减少压电陶瓷的加工制作困难，简化电机结构并在狭小的空间里获得大力矩是一个迫切需要解决的难题。

贴片式微电机是超声电机的一个重要发展方向，其定子由定子基体和若干压电陶瓷片粘结而成，因此加工工艺简单，易于检测。申请人曾提出利用纵扭压电陶瓷片构造超声电机的方法(中国发明专利，申请号：201210496699.6)，初步提出了贴片式纵扭超声电机的构造理论和方法，但该贴片式微电机存在扭转振幅偏小、纵扭振幅不易调节等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种开槽式纵扭复合型超声电机，其提高扭转振幅，能精确调节纵扭振幅的比例关系。

根据本发明的一个方面，提供一种开槽式纵扭复合型超声电机，其特征在于，所述开槽式纵扭复合型超声电机包括由定子、转子和预压力机构组成，预压力机构包括弹簧、卡箍和轴承，定子包括压电陶瓷片和定子基体，压电陶瓷片的上下两端设有定子驱动端，转子通过弹簧压紧在定子驱动端上并通过卡箍锁紧，轴承穿过转子和定子，压电陶瓷片粘贴在定子基体的外表面上，压电陶瓷片在定子驱动端的质点上激励出纵扭的复合振动，使得定子端面的质点运动轨迹为椭圆，定子通过摩擦驱动转子旋转。

优选地，所述定子基体的材料是黄铜或磷青铜，压电陶瓷片的材料是压电陶瓷材料或是压电单晶材料。

优选地，所述定子的形状为圆筒形。

优选地，所述定子的中部沿轴向在二阶扭振模态的两节点之间有N个纵向开槽，同时在每个纵向开槽的两端对称的开有横向开槽，N为大于或等于3的正整数。