[发明专利]一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声电机，具体涉及一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，属于机械电子技术领域。

背景技术

作为一种新型微特电机，压电超声电机与传统电磁式微特电机相比，无需减速机构、结构简单，能直接输出低转速大力矩，且瞬态响应快、功率密度大，无电磁干扰、设计形式灵活、易实现微型化等优势，在航空航天、医疗器械等领域有着广泛的应用前景。

经对现有技术的文献检索发现，近年来，旋转型超声电机在模型、结构等方面取得了众多进展，但目前仍存在效率低，功率密度小，驱动电压高，温升高等问题，不能完全满足航天、生物医学等领域的实际需要。不同的材料和不同的振动模式有着不同的机电耦合系数。选择新的具有高机电耦合系数、大压电系数的材料和振动模式对电机的效率提高有着决定性的影响。行波式旋转型超声电机是目前超声电机研究和应用最广的类型之一，南京航空航天大学卢小龙等在《IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control》(2011年58卷第12期第2708-2719页)发表的《Analyses of the temperature field of traveling-wave rotary ultrasonic motors》对行波旋转超声电机的温度场进行了研究，表明行波旋转超声电机的不足在于：无法进一步微型化、机电耦合效率低、高驱动电压和高电机温升。已报道的微型旋转超声电机主要为柱式。南京航空航天大学朱华等在《Frontier Mechanical Engineering in China》(2007年2卷第4期第394–398页)发表的《Investigation on a cylindrical ultrasonic micromotor》对柱状超声微电机进行了研究，这种超声电机采用了PZT片激励的以金属管作为定子，通过弯振的叠加，产生扭曲运动，其不足在于：机电耦合系数很低，为0.16，输出扭矩和功率密度很低，驱动电压高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足以及精密驱动和生物医学工程应用的需要，提出一种基于压电单晶面切模式的低压高效驱动的柱状旋转超声微电机。本发明利用[011]_c极化压电单晶面切模式具有超大压电系数、高功率密度、高机电耦合系数的优势，通过定子结构设计，在激励频率驱动下，由四个压电单晶面切模式的压电振子在轴向方向驱动转子作旋转运动，得到低压高效低热驱动的柱状超声微电机，满足适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于压电单晶面切模式的柱状旋转超声微电机，由定子组件和转子组件构成，定子组件包括至少四个压电单晶面切模式振子、用于支承振子的定子支架，振子的形状为方形平板状，定子支架的外部形状为正多棱柱，振子的上表面和下表面均镀有电极，各个振子的上表面所在平面分别与正多棱柱的各个侧面重合，电机的转轴线与正多棱柱的中心线重合。

优选地，振子为四个，每个振子都与相邻的两个振子垂直。

优选地，转子组件包括转子、转子轴、轴承；转子、转子轴、轴承为同心结构；转子轴与轴承的内圈固定，轴承的外圈紧固定在定子支架上。

优选地，转子与振子的驱动足紧密接触以使振子有预压力作用在转子上。

更优选地，轴承包括第一轴承和第二轴承。

优选地，转子、第一轴承、第二轴承为同心结构；转子轴与第一轴承和第二轴承的内圈紧配合装配，第一轴承与第二轴承的外圈紧配合装配在定子支架上。

优选地，振子材料为铁电单晶材料。

更优选地，铁电单晶材料为PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT铁电单晶材料中的任一种。

与现有技术相比，本发明利用新型压电单晶材料面切模式具有超大压电系数、高功率密度和高机电耦合系数的优势，设计构造低压高效低热驱动的柱状超声微电机。该超声电机功率密度高、效率高、驱动电压低、发热量极低，结构简单、在微型化情况下保持较大的输出力。适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例的旋转超声微电机的结构示意图；

图2是图1所示的旋转超声微电机A-A面的剖视图。

具体实施方式