彎扭型壓電超聲電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種彎扭型壓電超聲電機(jī)，由前支座與后支座相對扣合成電機(jī)殼體，在所述前支座與所述后支座上分別開有孔口相對的芯孔，在兩個(gè)所述芯孔中分別裝有軸承，轉(zhuǎn)子的兩端支撐連接在兩個(gè)所述芯孔中的所述軸承上；在所述前支座與所述后支座之間的扣合空腔中還裝有定子，所述定子的形狀是在外方內(nèi)圓的外框與圓環(huán)狀內(nèi)框之間接有沿所述內(nèi)框的圓周均布的四條輻板，四條所述輻板沿圓周的朝向相同，并分別與所述內(nèi)框相切；所述定子內(nèi)框的內(nèi)圓面套接在所述轉(zhuǎn)子的外圓面上；所述壓電陶瓷片有四片，分貼在所述定子外框的四個(gè)端側(cè)面上。本發(fā)明中定子彎曲變形與扭轉(zhuǎn)變形的頻率完全一致，所以有利于提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性，并且可以降低制作成本。
【專利說明】彎扭型壓電超聲電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種壓電超聲電機(jī)，具體地說是一種彎扭型壓電超聲電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]壓電超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)定子的超聲振動(dòng)，利用定子的振動(dòng)變形作用，推動(dòng)與之接觸的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。壓電超聲電機(jī)具有響應(yīng)迅速、易于小型化等優(yōu)點(diǎn)，在微小型機(jī)電裝置的驅(qū)動(dòng)控制領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。目前已有的超聲電機(jī)分成行波型和駐波型兩類。CN02217486.9號專利公開了一種“縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)”，該電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)呈柱狀的駐波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，該電機(jī)定子由下金屬環(huán)、壓電陶瓷扭振子、中間金屬體、壓電陶瓷、上金屬環(huán)等組成。電機(jī)定轉(zhuǎn)子通過芯軸相連，使定轉(zhuǎn)子相互壓緊，通過施加同頻但不同相位的交流電信號，分別作用于縱振子和扭振子，且施加的電信號頻率是定子整體的諧振頻率，從而使定子產(chǎn)生縱振動(dòng)和扭振動(dòng)，以推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。該電機(jī)雖然具有輸出力矩較大等優(yōu)點(diǎn)，但電機(jī)定子的縱振和扭振的激發(fā)是分別依靠縱振和扭振兩種振子，而且要求兩種振子必須同頻。但在電機(jī)工作過程中，因?yàn)榘l(fā)熱等原因的影響，會(huì)發(fā)生頻率漂移，而這種頻率漂移就會(huì)使扭振與縱振不能保持同頻，從而影響電機(jī)的工作穩(wěn)定性。另外，扭振子的加工成本較高，使得壓電超聲電機(jī)的制作成本提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種彎扭型壓電超聲電機(jī)，以解決由于縱振子和扭振子的存在而使得壓電超聲電機(jī)的工作穩(wěn)定性難以保證的問題。
[0004]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種彎扭型壓電超聲電機(jī)，由前支座與后支座相對扣合成電機(jī)殼體，在所述前支座與所述后支座上分別開有孔口相對的芯孔，在兩個(gè)所述芯孔中分別裝有軸承，轉(zhuǎn)子的兩端支撐連接在兩個(gè)所述芯孔中的所述軸承上；在所述前支座與所述后支座之間的扣合空腔中還裝有定子，所述定子的形狀是在外方內(nèi)圓的外框與圓環(huán)狀內(nèi)框之間接有沿所述內(nèi)框的圓周均布的四條輻板，四條所述輻板沿圓周的朝向相同，并分別與所述內(nèi)框相切；所述定子內(nèi)框的內(nèi)圓面套接在所述轉(zhuǎn)子的外圓面上；所述壓電陶瓷片有四片，分貼在所述定子外框的四個(gè)端側(cè)面上。
[0005]所述定子中的四條所述輻板分別與所述外框上相鄰的外側(cè)邊相平行。
[0006]所述壓電陶瓷片與所述定子外框端側(cè)面的大小和形狀相同。
[0007]在所述定子內(nèi)框的內(nèi)圓面上開有若干與圓心線平行的凹槽，相鄰所述凹槽的間距相等。
[0008]本發(fā)明將電機(jī)定子設(shè)計(jì)成為內(nèi)、外框結(jié)合的雙層嵌套式結(jié)構(gòu)，四個(gè)壓電陶瓷片粘接在定子外框的四個(gè)端側(cè)面，利用壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)，使外框產(chǎn)生變形。當(dāng)激勵(lì)電壓頻率為給定值時(shí)，電機(jī)定子即出現(xiàn)給定模態(tài)。在此給定模態(tài)下，定子外框出現(xiàn)彎曲變形，定子內(nèi)框出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)與彎曲兼有的復(fù)合變形，此復(fù)合變形中的彎曲變形使電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子在一個(gè)周期內(nèi)分別保持1/4周期的接觸狀態(tài)，而扭轉(zhuǎn)變形則使電機(jī)定子在一個(gè)周期內(nèi)同樣保持1/4周期的接觸狀態(tài)。上述兩個(gè)變形的頻率相同且相位相同，因此定子與轉(zhuǎn)子接觸的1/4周期，定子的扭轉(zhuǎn)方向始終沿圓周的相同方向，由此帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0009]本發(fā)明由于在給定模態(tài)下的彎曲變形與扭轉(zhuǎn)變形均在雙層嵌套式結(jié)構(gòu)的定子上產(chǎn)生，沒有傳統(tǒng)的壓墊超聲電機(jī)中的縱振子與扭振子的結(jié)構(gòu)設(shè)置，因而頻率可以完全一致，有利于提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。此外，由于定子外框在給定模態(tài)下的彎曲變形實(shí)現(xiàn)容易，因此使得壓電陶瓷片的制作更加容易，激發(fā)效果更好，由此可降低制作成本，提高電機(jī)效率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2是電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖3是圖2的A-A向剖視圖。
[0013]圖4是壓電陶瓷片的極化分區(qū)圖。
[0014]圖5是定子振動(dòng)模態(tài)的振型圖。
[0015]圖中:1、定子，2、轉(zhuǎn)子，3、前支座，4、后支座，5、螺釘，6、軸承，7、端蓋，8、外框，9、內(nèi)框，10、輻板，11、凸齒棱，12、壓電陶瓷片。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明包括定子1，轉(zhuǎn)子2。壓電陶瓷片12粘貼于定子外框的四個(gè)端側(cè)面，壓電陶瓷片12與定子外框端側(cè)面的形狀、大小均相同。
[0017]如圖1所示，本發(fā)明由定子1、轉(zhuǎn)子2、前支座3、后支座4、壓電陶瓷片12、端蓋7和軸承6組成。前支座3與后支座4相對扣合，組成電機(jī)殼體；在前支座3與后支座4上分別開有孔口相對的芯孔，在兩個(gè)芯孔中分別裝有軸承6，轉(zhuǎn)子2的兩端支撐連接在兩個(gè)芯孔中的軸承6上，在前、后支座的兩個(gè)芯孔外側(cè)扣蓋有端蓋7。在前支座3與后支座4之間的扣合空腔中還裝有定子I。壓電陶瓷片12粘貼在定子外框的端側(cè)面上。壓電陶瓷片12最好制成與定子外框的端側(cè)面大小和形狀相同的長條矩形片體，共有四片，分貼在定子外框的四個(gè)端側(cè)面上。定子內(nèi)框的內(nèi)圓面套接在轉(zhuǎn)子2的外圓面上。
[0018]如圖2、圖3所示，定子I為一薄板式零件，定子I的形狀是在外方內(nèi)圓的外框8與圓環(huán)狀內(nèi)框9之間接有四條輻板10，四條輻板10沿內(nèi)框9的圓周均勻分布并沿圓周的朝向相同，四條輻板10分別與內(nèi)框9相切。定子I中的四條輻板10最好分別與外框8上相鄰的一條外側(cè)邊相平行。
[0019]本實(shí)施例中，定子I采用厚度為5 mm的金屬板制作，定子外框8的邊長為60 mm。在定子外框8的四角分別開有安裝孔，用于在電機(jī)殼體上的安裝定位。壓電陶瓷片12的輪廓尺寸為60X 5 X 0.5 mm，其極化分區(qū)的方式如圖4所示。定子內(nèi)框9的內(nèi)、外徑分別為032 mm及040 mm，在內(nèi)框9的內(nèi)圓面上開有若干與圓心線平行的凹槽，相鄰凹槽的間距相等，使兩凹槽之間形成一個(gè)凸齒棱11，凸齒棱11的齒高為1.0 mm。連接內(nèi)、外框的四條切向輻板10的寬度均為4 mm。轉(zhuǎn)子2為一階梯軸形零件，穿接于定子內(nèi)框9中。轉(zhuǎn)子2與定子內(nèi)框9配合部分的公稱直徑亦為032mm，在轉(zhuǎn)子2的動(dòng)力輸出端設(shè)置鍵槽，可向外輸出轉(zhuǎn)矩。
[0020]電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作時(shí)，給粘接于定子外框8端側(cè)面上的四枚壓電陶瓷片12輸入頻率等于電機(jī)旋轉(zhuǎn)頻率的正弦電壓，激發(fā)外框8的每一條邊分別產(chǎn)生彎曲變形，而定子內(nèi)框9在此頻率下則產(chǎn)生彎曲與沿周向的扭轉(zhuǎn)。利用有限元分析軟件計(jì)算得到如圖5所示的定子振動(dòng)模態(tài)的振型圖。利用上述振型圖中所示定子內(nèi)環(huán)凸齒棱11的切向扭轉(zhuǎn)與彎曲，即可推動(dòng)轉(zhuǎn)子2旋轉(zhuǎn)。
[0021]本發(fā)明的具體工作機(jī)理是:
定子I的振動(dòng)周期為T，當(dāng)時(shí)間t = O時(shí)，電機(jī)尚未接通電源，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，定子I各點(diǎn)均處于各自的平衡位置，定子I與轉(zhuǎn)子2存在相互接觸。此后電源接通，電機(jī)開始工作。
[0022]在O〈 t〈 T/4的時(shí)段內(nèi)，由于壓電陶瓷片12的激勵(lì)作用，內(nèi)框9由平衡位置沿徑向均勻向外擴(kuò)展，內(nèi)框9的圓環(huán)內(nèi)孔直徑增大，定子I與轉(zhuǎn)子2開始脫離接觸。與此同時(shí)，內(nèi)框9的圓環(huán)還沿圓周方向逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)。由于定子I與轉(zhuǎn)子2脫離接觸，所以內(nèi)框9的逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)不能推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0023]當(dāng)t = T/4時(shí)，內(nèi)框9的徑向變形和逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)變形均達(dá)到最大值。
[0024]在T/4〈 t〈 T/2的時(shí)段內(nèi)，內(nèi)框9的各點(diǎn)由最大位移處移向平衡位置。即內(nèi)框9的由最大變形位置沿徑向均勻向圓心收縮，內(nèi)框9的內(nèi)孔直徑減小，但定子與轉(zhuǎn)子仍未接觸。與此同時(shí)，內(nèi)框9沿圓周方向順時(shí)針扭轉(zhuǎn)。因?yàn)槎ㄗ覫與轉(zhuǎn)子2脫離接觸，所以內(nèi)框9的順時(shí)針扭轉(zhuǎn)不能推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0025]當(dāng)t = T/2時(shí)，定子各點(diǎn)回到各自的平衡位置。
[0026]在T/2〈 t〈 3T/4的時(shí)段內(nèi)，內(nèi)框9由平衡位置沿徑向均勻向內(nèi)擴(kuò)展，內(nèi)框9的內(nèi)孔直徑減小，定子I與轉(zhuǎn)子2保持接觸。與此同時(shí)，內(nèi)框9還沿圓周方向順時(shí)針扭轉(zhuǎn)。由于定子I與轉(zhuǎn)子2接觸，所以內(nèi)框9的順時(shí)針扭轉(zhuǎn)推動(dòng)轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0027]當(dāng)t = 3T/4時(shí)，內(nèi)框9的徑向變形和逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)變形均達(dá)到反向最大值。
[0028]在T/2〈 t〈 3T/4的時(shí)段內(nèi)，內(nèi)框9沿徑向均勻向外擴(kuò)展，內(nèi)框9的內(nèi)孔直徑增大，定子I與轉(zhuǎn)子2脫離接觸。同時(shí)，內(nèi)框9還沿圓周方向逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)。由于定子I與轉(zhuǎn)子2脫離接觸，所以內(nèi)框9的順時(shí)針扭轉(zhuǎn)不能推動(dòng)轉(zhuǎn)子。
[0029]當(dāng)t = T時(shí)，定子I各點(diǎn)回到各自的平衡位置，一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束。
【權(quán)利要求】
1.一種彎扭型壓電超聲電機(jī)，其特征是，由前支座與后支座相對扣合成電機(jī)殼體，在所述前支座與所述后支座上分別開有孔口相對的芯孔，在兩個(gè)所述芯孔中分別裝有軸承，轉(zhuǎn)子的兩端支撐連接在兩個(gè)所述芯孔中的所述軸承上；在所述前支座與所述后支座之間的扣合空腔中還裝有定子，所述定子的形狀是在外方內(nèi)圓的外框與圓環(huán)狀內(nèi)框之間接有沿所述內(nèi)框的圓周均布的四條輻板，四條所述輻板沿圓周的朝向相同，并分別與所述內(nèi)框相切；所述定子內(nèi)框的內(nèi)圓面套接在所述轉(zhuǎn)子的外圓面上；所述壓電陶瓷片有四片，分貼在所述定子外框的四個(gè)端側(cè)面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彎扭型壓電超聲電機(jī)，其特征是，所述定子中的四條所述輻板分別與所述外框上相鄰的外側(cè)邊相平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的彎扭型壓電超聲電機(jī)，其特征是，所述壓電陶瓷片與所述定子外框端側(cè)面的大小和形狀相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的彎扭型壓電超聲電機(jī)，其特征是，在所述定子內(nèi)框的內(nèi)圓面上開有若干與圓心線平行的凹槽，相鄰所述凹槽的間距相等。
【文檔編號】H02N2/12GK103607136SQ201310588589
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月21日
【發(fā)明者】郭輝, 張軍偉, 郝紫陽 申請人:河北大學(xué)