專利名稱：一種動力調諧筒形超聲電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及超聲電機，具體涉及輸出特性可動態調節的筒形超聲電機。
技術背景
壓電超聲電機是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應，在彈性體內產生超聲頻段的微 幅振動，使彈性體表面形成特定軌跡的微觀質點運動，進而通過定轉子之間的摩擦/聲粘 性力將該微觀振動轉變為轉子的宏觀轉動。該電機具有低速大轉矩、無變速機構、無電磁干 擾、響應速度快和斷電自鎖等顯著優點，廣泛應用于微型機器人、航空航天、精密定位儀、內 窺鏡及武器裝備等系統。但是，受誤差、定子齒及支承方式的影響，超聲電機本質上是一種 循環對稱系統，通常將產生模態分裂、相位調諧及與之相關的嚴重影響效率和穩定性的衍 生問題。若產生模態分裂，則位于半功率點附近的激勵力將同時激起兩個裂變模態而形成 近頻模態調制。而且，由于驅動電流通常包含豐富的諧波，極易激起諧振而產生倍頻模態調 制。近/倍頻模態調制均導致行波畸變，因而影響了電機的穩定性和效率。定子開槽不僅 產生裂變模態，還將形成脈動激振力，產生轉速波動及控制精度降低等不良現象，甚至產生 駐波或反向行波，同時造成正反轉特性不對稱。對于單相驅動超聲電機而言，若附加質點控 制不當或激勵頻率設定不合理，同樣將產生畸變行波，因而降低了電機的穩定性、效率和精 度。對于納米超聲電機而言該問題更加突出，甚至導致電機不能正常工作。發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種可解決頻率分裂、振型耦合及 出力單一等問題的動力調諧式超聲電機。
本發明的一種動力調諧筒形超聲電機，它包括底座以及安裝在所述的底座上的外 殼，在所述的外殼內設置有筒形轉子，所述的筒形轉子的內壁呈錐形，在所述的筒形轉子內 設置有其內開有通孔的筒形定子，在所述的筒形定子外壁上均布有多個定子齒，所述的通 孔的中間部分內壁為圓柱形并且與所述的中間部分內壁相連接的上下兩端內壁為對稱設 置的圓錐形，第一牛角支承與鎖緊軸間隙配合并連接在其上部開有中間孔的鎖緊軸的下 端，第二牛角支承固接在鎖緊軸的上端，并且所述第一牛角支撐和所述第二牛角支撐設置 在筒形定子通孔內，所述的鎖緊軸下部穿過一個調節套筒的中心孔并與螺母螺紋連接，第 一和第二牛角支承設置有至少兩個牛角形支撐末端并且第一和第二牛角支承的牛角形支 撐末端分別沿筒形定子內壁圓周方向均勻間隔設置，固接在第一牛角支承的每一個牛角形 支撐末端上的壓電片壓緊在筒形定子下端圓錐形內壁上，固接在第二牛角支承的每一個牛 角形支撐末端上的壓電片壓緊在筒形定子上端圓錐形內壁上，在所述的第一牛角支承的中 部開有多個孔，所述的調節套筒通過設置在其下部的外螺紋與所述底座螺紋連接，在所述 調節套筒的頂端設置有多個突起，所述的突起分別插在第一牛角支承上的多個孔內，在所 述調節套筒外套有壓在底座外壁上的鎖緊螺母，轉子支承軸穿過安裝在外殼頂部的軸承座 內的軸承以及筒形轉子底壁插在鎖緊軸的中間孔內，所述轉子支承軸與筒形轉子底壁固定相連并與鎖緊軸的中間孔間隙配合，所述的筒形定子外壁能夠與所述的筒形轉子內壁相接 觸配合。
本發明的突出優點是
1.該筒形超聲電機具有性能可動態調整的顯著優點，解決了現有超聲電機由制造 及裝配誤差造成的固有頻率分裂和振型耦合等技術難題；
2.該電機可提供兩種輸出模式接觸式低速大轉矩模式和非接觸式高速低轉矩 模式，以滿足不同的工況要求；
3.該電機在接觸工作模式下的定、轉子之間的預壓力以及非接觸工作模式下的 定、轉子之間的間隙均動態可調，因而可實現輸出特性的動態調節。
圖1是本發明動力調諧筒形超聲電機的端面示意圖中標號名稱1000 筒形轉子，1010 外殼，1020 筒形定子，1030 第一牛角支 承，1040 第二牛角支承；
圖2是圖1所示的電機的軸截面示意圖中標號名稱1050 鎖緊軸，1060 轉子支承軸，1070 軸承座，1080 軸承，1090 底座，1100 調節套筒，1110 鎖緊螺母，1120 螺母，1111 壓電片；
圖3是圖1所示的電機第二牛角支承；
圖4是圖1所示的電機的第一牛角支承；
圖5-a是圖1所示的筒形定子本體端面示意圖5-b是圖5-a所示的筒形定子本體軸截面示意圖6-a是圖1所示的筒形轉子端面示意圖6-b是圖6-a所示的筒形轉子軸截面示意圖7-a是圖1所示的調節套筒端面示意圖7-b是圖7-a所示的調節套筒軸截面示意圖。
具體實施方式
下面結合具體的實施例，并參照附圖，對本發明做進一步的說明
如圖所示的一種動力調諧筒形超聲電機，它包括底座1090以及安裝在所述的底 座上的外殼1010，在所述的外殼1010內設置有筒形轉子1000，所述的筒形轉子1000的內 壁呈錐形(圓錐形開口端直徑最大)，在所述的筒形轉子內設置有其內開有通孔的筒形定 子1020，在所述的筒形定子外壁上均布有多個定子齒，所述的通孔的中間部分內壁為圓柱 形并且與所述的中間部分內壁相連接的上下兩端內壁為對稱設置的圓錐形(兩個圓錐形 開口端的直徑大于圓柱形的直徑)，第一牛角支承1030與其上部開有中間孔的鎖緊軸1050 間隙配合并設置在鎖緊軸1050的下端，第二牛角支承1040固接在鎖緊軸1050的上端， 并且所述第一牛角支撐和所述第二牛角支撐設置在筒形定子1020通孔內，所述的鎖緊軸 1050的下部穿過一個調節套筒的中心孔并與螺母1120螺紋連接，第一和第二牛角支承設 置有至少兩個牛角形支撐末端并且第一牛角支承和第二牛角支承的牛角形支撐末端分別 沿筒形定子內壁圓周方向均勻間隔設置。固接在第一牛角支承的每一個牛角形支撐末端上的壓電片1111壓緊在筒形定子下端圓錐形內壁上，固接在第二牛角支承的每一個牛角形 支撐末端上的壓電片1111壓緊在筒形定子上端圓錐形內壁上。在所述的第一牛角支承的 中部開有多個孔，所述的調節套筒1100通過設置在其下部的外螺紋與所述底座1090螺紋 連接，在所述調節套筒的頂端設置有多個突起，所述的突起分別插在第一牛角支承上的多 個孔內。在所述調節套筒外套有壓在底座外壁上的鎖緊螺母1110，轉子支承軸1060穿過安 裝在外殼頂部的軸承座1070內的軸承1080以及筒形轉子底壁插在鎖緊軸的中間孔內，所 述轉子支承軸與筒形轉子底壁固定相連，所述的轉子支承軸與鎖緊軸的中間孔間隙配合。 所述的筒形定子外壁能夠與所述的筒形轉子內壁相接觸配合。
所述螺母1120旋轉時，可使所述固接于所述鎖緊軸1050上的第二牛角支承1040 與所述筒形定子1020壓緊或分離。
所述支承軸1060伸入鎖緊軸1050，可在其內部沿軸向及周向相對運動。
優選的所述第一牛角支撐和第二牛角支撐均設置有四個牛角形支撐末端，第一牛 角支撐的四個牛角形支撐末端與筒形定子的下端圓錐形內壁形狀相吻合，第二牛角支撐的 四個牛角形支撐末端與筒形定子的上端圓錐形內壁形狀相吻合。
優選的所述第一牛角支承上的多個孔為四個并且為扇形孔，設置在調節套筒的頂 端的多個突起為四個扇形突起，所述的四個扇形突起插在四個扇形孔內。在所述調節套筒 1110旋轉至適當位置后，鎖緊螺母1110將調節套筒鎖緊，進而為所述定子1020定位，以實 現電機的穩定輸出。
圖3和圖4示出了所述壓電片1111的排列方式及激勵方式。在本實施例中，每個 牛角支承均安裝4片壓電片，且各片大小及形狀均相同。四路正弦驅動信號的輸出順序均 為(Asin，Acos, -Asin, -Acos)。在電機通電后，所述壓電片1111受到激勵將產生駐波，最 終使所述定子1020產生波數為3、5、7...的行波，驅動所述轉子1000旋轉，進而完成由電 能至機械能的能量轉換過程。
該電機具有模態特性可調及輸出模式多樣化等顯著優點。對于前者，通過調整牛 角支承1030和1040的相對位置，可實現定子模態特性的動態調整，保證定子固有頻率不產 生分裂，且使工作振型不含或僅含少量諧波。此外，牛角支承沿定子內壁的切向，該支承方 式有利于消除定子模態的分裂。上述結構均可抑制甚至抵消由定子結構的周期特性以及制 造和裝配誤差造成的模態分裂難題。由于本發明超聲電機激起了定子較純的模態響應，因 而其工作性能更加穩定，機電能量的轉換效率更高。
對于后者，輸出模式的多樣化主要是通過調整所述定子1020與所述轉子1000之 間的相對位置而實現的。在具體調節過程中，可松開所述鎖緊螺母1110，然后旋轉所述調 節套筒1100，進而使所述定子1020產生軸向移動。若使所述筒形定子1020外壁與所述筒 形轉子1000內壁接觸，則構成接觸式低速、大扭矩輸出模式；若使所述筒形定子1020外壁 與所述筒形轉子1000內壁分離，則構成非接觸式高速、低扭矩輸出模式。此外，在上述兩種 工作模式中，可動態旋轉調節套筒1100的軸向位置，以優化接觸工作模式時所述筒形定子 1020與所述筒形轉子1000之間的預壓力以及非接觸工作模式時二者之間的間隙，使電機 在兩種工作模式下均處于最佳輸出狀態。
本裝置的具體工作及調節過程如下
1.獲取多相電源，在本實施例中，所述多相電源為相位差π/2的交流電源，其頻率約為筒形定子1020的第三階固有頻率；
2.將所述多相電源的各相位電壓按照(Asin，Acos, -Asin, -Acos)的順序依次施 加于超聲電機的相應壓電片1111上；
3.在所述多相電源激勵下，筒形定子將產生行波。若輸出性能不理想，則轉步驟 4，否則轉步驟5 ；
4.旋轉螺母1120，使第二牛角支撐1040與所述筒形定子1020松開，之后旋轉鎖 緊軸1050使第二牛角支撐1040沿筒形定子圓周方向轉動，改變所述第一牛角支撐1030與 第二牛角支撐1040的牛角形支撐末端的周向相對位置以改變定子的動態特性，使定子表 面產生適宜驅動所述轉子1000的行波，調整好牛角形支撐1040的周向位置后，旋轉螺母 1120，使第二牛角支撐1040與所述筒形定子壓緊，然后轉步驟5或6 ；
5.若應用場合為低速大轉矩，則松開鎖緊螺母1110，調整調節套筒1100，以改變 定子組件1020的軸向位置，使其與所述轉子1000接觸，并適當調節二者之間的預壓力，使 輸出特性最優。如果效果不理想，則轉步驟3。
6.若應用場合為高速低轉矩，則松開鎖緊螺母1110，調整調節套筒1100以改變定 子組件1020的軸向位置，使其與所述轉子1000分離，并適當調節二者之間的間隙，使輸出 特性最優。若效果不理想，則轉步驟3。
權利要求
1.一種動力調諧筒形超聲電機，它包括底座以及安裝在所述的底座上的外殼，其特征 在于在所述的外殼內設置有筒形轉子，所述的筒形轉子的內壁呈錐形，在所述的筒形轉子 內設置有其內開有通孔的筒形定子，在所述的筒形定子外壁上均布有多個定子齒，所述的 通孔的中間部分內壁為圓柱形并且與所述的中間部分內壁相連接的上下兩端內壁為對稱 設置的圓錐形，第一牛角支承與鎖緊軸間隙配合并連接在其上部開有中間孔的鎖緊軸的下 端，第二牛角支承固接在鎖緊軸的上端，并且所述第一牛角支撐和所述第二牛角支撐設置 在筒形定子通孔內，所述的鎖緊軸下部穿過一個調節套筒的中心孔并與螺母螺紋連接，第 一和第二牛角支承設置有至少兩個牛角形支撐末端并且第一和第二牛角支承的牛角形支 撐末端分別沿筒形定子內壁圓周方向均勻間隔設置，固接在第一牛角支承的每一個牛角形 支撐末端上的壓電片壓緊在筒形定子下端圓錐形內壁上，固接在第二牛角支承的每一個牛 角形支撐末端上的壓電片壓緊在筒形定子上端圓錐形內壁上，在所述的第一牛角支承的中 部開有多個孔，所述的調節套筒通過設置在其下部的外螺紋與所述底座螺紋連接，在所述 調節套筒的頂端設置有多個突起，所述的突起分別插在第一牛角支承上的多個孔內，在所 述調節套筒外套有壓在底座外壁上的鎖緊螺母，轉子支承軸穿過安裝在外殼頂部的軸承座 內的軸承以及筒形轉子底壁插在鎖緊軸的中間孔內，所述轉子支承軸與筒形轉子底壁固定 相連并與鎖緊軸的中間孔間隙配合，所述的筒形定子外壁能夠與所述的筒形轉子內壁相接 觸配合。
2.根據權利要求1所述的動力調諧筒形超聲電機，其特征在于所述的第一牛角支撐 和第二牛角支撐均設置有四個牛角形支撐末端，第一牛角支撐的四個牛角形支撐末端與筒 形定子的下端圓錐形內壁形狀相吻合，第二牛角支撐的四個牛角形支撐末端與筒形定子的 上端圓錐形內壁形狀相吻合。
3.根據權利要求1所述的動力調諧筒形超聲電機，其特征在于所述的第一牛角支承 上的多個孔為四個并且為扇形孔，設置在調節套筒的頂端的多個突起為四個扇形突起，所 述的四個扇形突起插在四個扇形孔內。
全文摘要
本發明公開了一種動力調諧筒形超聲電機，在外殼內設置有筒形轉子，在筒形轉子內設置有其內開有通孔的筒形定子，第一牛角支承連接在鎖緊軸的下端，第二牛角支承固接在鎖緊軸的上端，并且第一和第二牛角支撐設置在筒形定子通孔內，鎖緊軸下部穿過一個調節套筒的中心孔并與螺母螺紋連接，固接在第一、二牛角支承的每一個牛角形支撐末端上的壓電片分別壓緊在筒形定子下端、上端圓錐形內壁上，調節套筒通過設置在其下部的外螺紋與底座螺紋連接，在調節套筒頂端的多個突起分別插在第一牛角支承上的多個孔內，轉子穿過軸承座以及筒形轉子底壁插在鎖緊軸的中間孔內。本電機可提供兩種輸出模式，可實現輸出特性的動態調節。
文檔編號H02N2/10GK102035429SQ20101060956
公開日2011年4月27日 申請日期2010年12月28日 優先權日2010年12月28日
發明者修杰, 王世宇, 王建, 陳東亮, 霍咪娜 申請人:天津大學