一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超聲電機(jī)，具體涉及一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，屬于機(jī)械電子技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]與傳統(tǒng)電磁式電機(jī)相比，超聲電機(jī)能直接輸出低轉(zhuǎn)速大力矩，且瞬態(tài)響應(yīng)快、定位精度高，功率密度大，無電磁干擾、無需減速機(jī)構(gòu)、無線供能接收端無需整流電路、結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計形式靈活、易實現(xiàn)微型化等優(yōu)勢，在航空航天，機(jī)器人，醫(yī)療器械，精密儀器，汽車工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，目前已有的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)采用的壓電材料主要是鋯鈦酸鉛(Pb (Zr，Ti) 03，PZT)，存在著機(jī)電耦合系數(shù)低、驅(qū)動電壓高、電機(jī)厚度尺寸厚的問題。如:徐志科等在《中國電機(jī)工程學(xué)報》(2005年25卷第18期第131-134頁)發(fā)表的《基于有限元法的行波型超聲波電機(jī)阻抗特性分析》，該文研宄了應(yīng)用最廣的k31模式行波超聲電機(jī)，該電機(jī)的機(jī)電耦合系數(shù)僅為0.17?0.20。其不足在于:機(jī)電耦合系數(shù)低、功率密度低、激勵電壓(正常工作電場800?1000Vp/mm)高和溫升高、電機(jī)厚度有近30mm等問題。哈爾濱工業(yè)大學(xué)陳維山等在《IEEE Transact1ns on Ultrasonics, Ferroelectrics, andFrequency Control)) (2010 年 57 卷第 5 期第 1160-1167 頁)發(fā)表的《A new travelingwave ultrasonic motor using thick ring stator with nested PZT excitat1n》和劉英想等在〈〈IEEE Transact1ns on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control))(2010 年 57 卷第 10 期第 236O - 2364 頁)發(fā)表的《A rotary ultrasonic motor usingbending vibrat1n transducer》，他們分別設(shè)計了 PZT疊層環(huán)形定子的超聲電機(jī)和換能器式超聲電機(jī)。這兩種電機(jī)實質(zhì)是kt厚度模式，不足在于:激勵電壓高，機(jī)電耦合系數(shù)低(僅達(dá)到0.20?0.23)，電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，厚度為40?60mm，體積重量過大且功率密度低，很難做出緊湊的微型電機(jī)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足以及精密驅(qū)動和生物醫(yī)學(xué)工程應(yīng)用的需要，提出一種壓電單晶面切模式徑向驅(qū)動的超薄大力矩旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)。本發(fā)明利用[011]。極化壓電單晶面切模式具有超大壓電系數(shù)、高功率密度、高機(jī)電耦合系數(shù)的優(yōu)勢，通過定子結(jié)構(gòu)設(shè)計，在激勵頻率驅(qū)動下，由四個壓電單晶面切模式的壓電振子在徑向方向驅(qū)動轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，得到低壓高效低熱驅(qū)動的薄型大力矩超聲電機(jī)，電機(jī)厚度在10_以下，為現(xiàn)有商用行波電機(jī)厚度的1/3，滿足適合于精密驅(qū)動和生物醫(yī)學(xué)工程的應(yīng)用場合。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0006]一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，由定子組件和轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成，定子組件包括至少三個壓電單晶面切模式振子、用于支承振子的定子支架、用于支承定子支架的定子底座，振子的形狀為方形平板狀，振子的上表面和下表面均鍍有電極，各個振子的下表面位于同一個平面上，此平面與電機(jī)轉(zhuǎn)軸線垂直，各個振子的下表面中點能夠連成一個正多邊形，電機(jī)轉(zhuǎn)軸線通過這個正多邊形的中心點。
[0007]優(yōu)選地，振子為四個，四個振子分別位于正方形的四個角處。
[0008]優(yōu)選地，定子組件還包括用于預(yù)緊振子的彈性塊，彈性快數(shù)量與振子數(shù)量相同，每個彈性塊與每個振子組成一個復(fù)合體，復(fù)合體內(nèi)置于定子支架內(nèi)。
[0009]優(yōu)選地，彈性塊均處于壓緊狀態(tài)以產(chǎn)生一定的壓力使振子有預(yù)壓力作用在轉(zhuǎn)子組件上。
[0010]優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子組件包括軸承、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子軸，轉(zhuǎn)子軸與軸承的內(nèi)圈緊配合裝配，轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子軸為同心緊配合裝配結(jié)構(gòu)。
[0011 ] 優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周面與振子的驅(qū)動足緊密接觸。
[0012]優(yōu)選地，軸承的外圈同心緊配合裝配在定子底座上。
[0013]優(yōu)選地，振子材料為鐵電單晶材料。
[0014]更優(yōu)選地，鐵電單晶材料為PZN-PT、PMN-PT, PIN-PMN-PT、摻錳PMN-PT或摻錳PIN-PMN-PT鐵電單晶材料中的任一種。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用新型壓電單晶材料面切模式具有超大壓電系數(shù)、高功率密度和高機(jī)電耦合系數(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計構(gòu)造高效低電壓的徑向驅(qū)動旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)；該超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、輸出力大、功率密度高、效率高、驅(qū)動電壓低、發(fā)熱量極低，電機(jī)徑向驅(qū)動，厚度尺寸薄。適合于精密驅(qū)動和生物醫(yī)學(xué)工程的應(yīng)用場合。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明一個較佳實施例的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的側(cè)視圖；
[0017]圖2是圖1所示的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)H-H面的剖視圖。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明:本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實施例。
[0019]如圖1和圖2所示，本實施例的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)包括:第一壓電單晶面切模式振子
1、第一彈性塊2、第二彈性塊3、第二壓電單晶面切模式振子4、軸承5、定子支架6、第三壓電單晶面切模式振子7、第三彈性塊8、第四彈性塊9、轉(zhuǎn)子10、第四壓電單晶面切模式振子
I1、轉(zhuǎn)子軸12、定子底座13。
[0020]旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)由定子組件和轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成。其中定子組件由第一壓電單晶面切模式振子1、第一彈性塊2、第二彈性塊3、第二壓電單晶面切模式振子4、定子支架6、第三壓電單晶面切模式振子7、第三彈性塊8、第四彈性塊9、第四壓電單晶面切模式振子11和定子底座組成13。轉(zhuǎn)子組件由軸承5、轉(zhuǎn)子10和轉(zhuǎn)子軸12組成。
[0021]第一壓電單晶面切模式振子I和第一彈性塊2組成的第一復(fù)合體內(nèi)置于定子支架6內(nèi)，第二壓電單晶面切模式振子4和第二彈性塊3組成的第二復(fù)合體內(nèi)置于定子支架6內(nèi)，第三壓電單晶面切模式振子7和第三彈性塊8組成的第三復(fù)合體內(nèi)置于定子支架6內(nèi)，第四壓電單晶面切模式振子11和第四彈性塊9組成的第四復(fù)合體內(nèi)置于定子支架6內(nèi)，四個壓電單晶面切模式振子中心線間成90度間隔均勻分布，且位于同一平面內(nèi)，轉(zhuǎn)子10內(nèi)圓周面與四個壓電單晶振子驅(qū)動足緊密接觸，四個彈性塊均處于壓緊狀態(tài)以使四個壓電單晶振子以一定的預(yù)壓力作用在轉(zhuǎn)子10上。轉(zhuǎn)子10與轉(zhuǎn)子軸12為同心緊配合裝配結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子軸12與軸承5的內(nèi)圈緊配合裝配，軸承5的外圈同心緊配合裝配在定子13上。定子支架6放置于13定子底座上。
[0022]本實施例具體工作的實現(xiàn)包括以下過程:
[0023]當(dāng)?shù)谝粔弘妴尉媲心Ｊ秸褡?、第二壓電單晶面切模式振子4、第三壓電單晶面切模式振子7、第四壓電單晶面切模式振子11被同時施加激勵頻率時，在每個壓電單晶振子激發(fā)出相應(yīng)的面切振型，四個驅(qū)動足端部產(chǎn)生斜線運(yùn)動，且為同一方向，從而通過摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子10繞轉(zhuǎn)子軸12旋轉(zhuǎn)，并在轉(zhuǎn)子軸12輸出一定的輸出力矩的正向圓周運(yùn)動。當(dāng)改變第一壓電單晶面切模式振子1、第二壓電單晶面切模式振子4、第三壓電單晶面切模式振子7、第四壓電單晶面切模式振子11的激勵區(qū)域，并同時施加相同激勵頻率的驅(qū)動信號時，驅(qū)動足端部產(chǎn)生相反方向的斜線運(yùn)動，并在轉(zhuǎn)子軸12輸出一定的輸出力矩的反向圓周運(yùn)動。
[0024]由上述實施例可以看出，通過控制四個壓電單晶面切模式振子的激勵方式，在逆壓電效應(yīng)下壓電振子激發(fā)相應(yīng)的面切振型，由驅(qū)動足通過摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。與市場應(yīng)用最廣的行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)相比，該超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、輸出力矩大一倍、功率密度高一倍、機(jī)電耦合效率高2.8倍(約0.6)、驅(qū)動電壓低40-200倍、溫升低10度以上，厚度小于10mm，僅為行波超聲電機(jī)的1/3，尤其適合于精密驅(qū)動和生物醫(yī)學(xué)工程的應(yīng)用場入口 ο
[0025]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，由定子組件和轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成，其特征在于，所述定子組件包括至少三個壓電單晶面切模式振子、用于支承所述振子的定子支架、用于支承所述定子支架的定子底座，所述振子的形狀為方形平板狀，所述振子的上表面和下表面均鍍有電極，各個所述振子的下表面位于同一個平面上，所述平面與電機(jī)轉(zhuǎn)軸線垂直，各個所述振子的下表面中點能夠連成一個正多邊形，所述電機(jī)轉(zhuǎn)軸線通過所述正多邊形的中心點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于，所述振子為四個，四個振子分別位于正方形的四個角處。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于，所述定子組件還包括用于預(yù)緊所述振子的彈性塊，所述彈性快數(shù)量與所述振子數(shù)量相同，一個所述彈性塊與一個所述振子組成一個復(fù)合體，所述復(fù)合體內(nèi)置于所述定子支架內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于，所述彈性塊均處于壓緊狀態(tài)以產(chǎn)生一定的壓力使所述振子有預(yù)壓力作用在所述轉(zhuǎn)子組件上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子組件包括軸承、轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子軸，所述轉(zhuǎn)子軸與所述軸承的內(nèi)圈緊配合裝配，所述轉(zhuǎn)子與所述轉(zhuǎn)子軸為同心緊配合裝配結(jié)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子的內(nèi)圓周面與所述振子的驅(qū)動足緊密接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于，所述軸承的外圈同心緊配合裝配在所述定子底座上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于，所述振子材料為鐵電單晶材料。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于，所述鐵電單晶材料為PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、摻錳PMN-PT或摻錳PIN-PMN-PT鐵電單晶材料中的任一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)厚度小于10mm。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓電單晶面切模式的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，由定子組件和轉(zhuǎn)子組件構(gòu)成，定子組件包括振子、定子支架、定子底座，振子的形狀為方形平板狀，振子上下表面均鍍有電極，各個振子的下表面位于同一個平面上，此平面與電機(jī)轉(zhuǎn)軸線垂直，下表面中點連成正多邊形，電機(jī)轉(zhuǎn)軸線通過正多邊形中心點。通過控制壓電振子的激勵方式激發(fā)出面切模式，并通過驅(qū)動足驅(qū)動轉(zhuǎn)子沿圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。與應(yīng)用最廣的行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)相比，該超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、輸出力矩大一倍、功率密度高一倍、機(jī)電耦合效率高2.8倍(約0.6)、驅(qū)動電壓低40-200倍、溫升低10度以上，厚度僅為現(xiàn)有行波超聲電機(jī)的1/3，尤其適合于精密驅(qū)動和生物醫(yī)學(xué)工程的應(yīng)用場合。
【IPC分類】H02N2-12, H02N2-10
【公開號】CN104852626
【申請?zhí)枴緾N201510272098
【發(fā)明人】李世陽
【申請人】上海交通大學(xué)
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月25日