專利名稱：桿式行波型超聲電機的制作方法
技術領域：
本發明的桿式行波型超聲電機屬微電機領域中的超聲電機。
背景技術：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動的新型微電機。其中桿式行波型超聲電機屬于行波型超聲電機的一種。該種電機除具有行波型超聲電機所具有的結構緊湊、運行安靜、具有較大的扭矩體積比、易于定位及調速控制等優點外，還具有結構簡單、成本低、效率高、不涉及陶瓷片的膠粘問題的優點。現有技術的桿式行波型超聲電機結構定子尺寸較大，效率較低，安裝固定困難，這些不足之處大大限制了該型電機的工程應用。
發明內容
本發明目的在于研制出一種結構更簡單、體積更小、效率更高、安裝固定更加方便，應用范圍更廣的新型桿式行波超聲電機。
為實現上述目的，本新型桿式行波超聲電機對上配重塊和轉子部分的結構進行了優化設計，從而進一步減小了電機的空間尺寸，提高電機的工作效率。電機主要由定子組件，轉子組件及輸出軸所組成，其特點是定子組件的組成是將壓電陶瓷片組，電極片組置于上配重塊與底座之間，并通過裝于上配重塊上的滑動軸承和裝于底座上的滾動軸承安裝在輸出軸上；所述轉子組件的轉子與定子的接觸采用懸臂梁結構的柔性設計，轉子通過銷固定在壓蓋上，通過調節壓蓋在轉子內的上下位置壓縮彈簧來調節定、轉子之間的預壓力。軸與壓蓋為過盈配合。上配重塊下端部呈圓盤狀，上端部有一尺寸相對較小的圓形內槽凸臺。底座外緣有四個用于安裝電機的螺紋孔，下端部內有一軸承孔。
本發明與現有技術相比，具有結構更加簡單、緊湊、體積更小、安裝更加方便等特點，應用范圍更廣，更適合于小型、精密機械的驅動裝置。
圖1是桿式行波型超聲電機結構示意圖。
圖1中的標號名稱1、底座，2、電極片組，3、壓電陶瓷片組，4、上配重塊，5、轉子，6、彈簧，7、銷，8、壓蓋，9、滑動軸承，10、滾動軸承，11、套，12、螺母，13、軸。
圖2是電機定子有限元模型及工作模態圖。
具體實施例方式本發明是基于利用壓電陶瓷片壓電效應激出一端固支另一端自由的懸臂梁的二階彎曲振動模態而研制成的新型超聲電機。它主要是由定子組件、轉子組件以及輸出軸組成。圖1是本發明的具體結構示意圖，由圖可知，電機的定子由底座1和上配重塊4將壓電陶瓷片組3(共5片)、電極片組2(共6片)，通過底座軸上的螺桿壓緊構成。定子的底座1外緣有四個螺紋孔，用于固定和安裝電機。現有這種電機中因為采用的是兩端自由的彈性梁，安裝位置必須位于彎曲振動模態的節線處，否則會對定子振動模態產生很大影響。本電機中因為是底座固支，定子采用的是懸臂梁的振動模態，所以這種安裝方法更加方便和可靠。底座1中有一個軸承孔，鑲入的滾動軸承10對輸出軸起徑向支撐和軸向限位的作用。定子上配重塊4設計成圓盤狀，圓盤的外邊緣振幅最大，從而更加有效的驅動轉子轉動。上配重塊的上端部設有一凸臺，該凸臺的尺寸和位置經有限元優化設計確定，從而調整電機的固有模態，達到獲得最佳共振頻率及最大圓盤工作面的振幅的目的。采用這種圓盤狀的定子結構，本發明電機在保證一定的輸出功率的條件下空間尺寸可以大大縮小。上配重塊的內腔內也有一個滑動軸承9，起到對轉子和軸的徑向支撐和定位作用。彈簧6的中徑設計成與轉子的工作面相同的尺寸，保證在電機工作時彈簧6可以給定、轉子之間提供恒定的預壓力。轉子5與壓蓋8之間靠銷7連接，銷7在壓蓋8的滑槽中可以上下滑動，這樣可以通過旋轉螺母12調節銷在滑槽中的位置，對彈簧6進行壓縮，從而調節定、轉子之間的預壓力。轉子5采用懸臂梁結構的柔性轉子，如附圖1中標號5所示。經過優化設計的轉子尺寸保證了定、轉子良好的接觸，大大減少了定、轉子之間的相對滑動，從而減少了能量損失，提高了電機的效率。
每片壓電陶瓷片表面鍍銀，上面二分區，下面不分區，其中一分區進行正向極化，另一分區反向極化。極化后的壓電陶瓷片受電場作用會產生變形。極化方向與電場方向相同的分區產生伸長變形，極化方向與電場方向相反的分區產生壓縮變形。于是，一片壓電陶瓷片在交變電場作用下，就可使定子產生橫向彎曲振動。附圖2(a)表示的是本電機定子的有限元模型。取4片壓電陶瓷片，分成二組，分別稱為A相和B相。當A相通以sinωt(其頻率等于定子二階彎振頻率)交變電壓時，定子將產生左右彎曲共振，如附圖2(b)的A相工作模態；當B相通以和A相同頻、同幅的cosωt交變電壓時，定子產生前后彎曲共振，如附圖2(c)的B相工作模態。如果將這兩個電壓同時分別加到A相和B相，那么，這兩個相互垂直的彎曲振動的合成就會在定子上端面形成B01行波，從而使定子上端面上任一質點產生橢圓運動。正是這個橢圓運動，加上定、轉子間的預壓力，使定、轉子間產生摩擦力，推動轉子轉動。附圖1中第五片壓電陶瓷片作為反饋相，它是利用壓電陶瓷片的正壓電效應，產生交變電壓，用以作為反饋電壓對電機進行自動頻率跟蹤，從而保證電機轉速穩定。
權利要求
1.一種桿式行波型超聲電機，包括定子組件，轉子組件及輸出軸，其特征在于，所述定子組件的組成是將壓電陶瓷片組(3)，電極片組(2)置于上配重塊(4)與底座(1)之間，并通過裝于上配重塊(4)上的滑動軸承(9)和裝于底座(1)上的滾動軸承(10)安裝在輸出軸(13)上；所述轉子組件的轉子(5)與定子的接觸采用懸臂梁柔性結構，轉子(5)通過銷(7)固定在伸入轉子內腔中的壓蓋(8)上，彈簧(6)置于銷(7)與轉子(5)的懸臂梁柔性結構部分之間。
2.根據權利要求1所述的桿式行波型超聲電機，其特征在于，上配重塊(4)下端部呈圓盤狀，上端部有一尺寸相對較小的內槽凸臺。
3.根據權利要求1、2所述的桿式行波型超聲電機，其特征在于，底座(1)外緣有四個用于安裝電機的螺紋孔，下端部內有一軸承孔。
全文摘要
一種桿式行波型超聲電機，屬于微電機領域。其構成是電機的定子組件由底座(1)和上配重塊(4)將壓電陶瓷組(3)和電極片組(2)通過底座的螺桿旋緊而構成，上配重塊(4)呈圓盤狀，上端部有一尺寸相對較小的內槽凸臺，底座(1)外緣具有四個安裝用的螺紋孔；電機轉子組件由柔性轉子(5)、銷(7)、壓蓋(8)、軸(13)等構成。電機定、轉子之間的預壓力通過壓蓋(8)壓緊彈簧(6)來獲得和調節。當電機通入超聲頻域內一定的交流電壓時，電機定子部分上配重塊(4)與轉子(5)接觸的表面的質點做橢圓運動。由于定、轉子之間存在預壓力，定、轉子間即可產生摩擦力，這種摩擦力會推動轉子轉動。轉子又帶動轉子組件轉動，動力由軸(13)輸出。該電機具有行波型超聲電機的優點外，相比先前的桿式電機設計，還具有結構更為簡單、空間尺寸更小、效率更高、安裝更加方便等優點。
文檔編號H02N2/10GK1606228SQ20041006570
公開日2005年4月13日 申請日期2004年11月12日 優先權日2004年11月12日
發明者趙淳生, 朱華 申請人:南京航空航天大學