一种旋转型行波超声电机

技术领域

本发明属于超声电机技术领域，特别是涉及一种旋转型行波超声电机。

背景技术

超声电机是一种利用压电元件的逆压电效应激发电机中的定子产生微幅度、高频率的机械振动，从而在定子表面的特定点或者特定区域形成具有特定轨迹的质点运动，并且通过定子与动子之间的相互摩擦耦合以及共振放大来实现机电能量转换，输出宏观上的机械运动的一种新型电动机。

按照目前超声电机的驱动原理分类，可分为驻波型超声电机、行波型超声电机和复合型超声电机三种。

其中，行波型超声电机是在弹性体中激励出行进的板波，从而使弹性体驱动表面质点获得具有驱动作用的椭圆轨迹振动。如中国专利申请号为CN2017111292083，公开了一种面内旋转型行波超声电机以及驱动器，其包括定子、转子、转轴及壳体组成。转子为中空的圆柱形且设有一腔体，定子为中空的圆台形，定子固定连接于壳体，转子套接固定于转轴，且定子外径较小的一端嵌套入转子的腔体内，转轴转动连接于壳体。定子与转子呈薄片状，减小了轴向体积，适用于很多薄片式电子产品，且圆台形的定子与转子相嵌，将转子对定子的轴向预压力转化成周向预紧力，定子的圆周转动带动转子转动，得到大的驱动力矩，定子与转子的结构便于加工，实用性强。

但上述技术方案中的定子的振幅较小，使得同样体积下，行波超声电机的输出力矩较小，从而影响了行波超声电机在精密驱动控制领域的应用范围。

发明内容

为了解决或者至少部分解决上述定子振幅较小，使得行波超声电机的输出力矩较小的问题，本公开的实施例提供一种旋转型行波超声电机，通过增大定子组件与第一转子和第二转子间的摩擦力，使得转子的输出力矩增大或转速增大，从而使得本发明的压电叠堆驱动式行波超声电机更加的适用于精密驱动控制领域。

为了实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种旋转型行波超声电机，包括：

壳体，所述壳体具有安装空间，所述安装空间内设置有定子组件；

转子组件，所述转子组件包括转轴、第一转子以及活动设置在所述转轴上的第二转子；

所述第一转子与所述转轴一端固接，所述转轴另一端从所述定子组件中穿出并转动设置在所述壳体上；

所述第一转子和第二转子均与所述定子组件上的驱动齿摩擦耦合。

在一些实施例中，所述定子组件包括：

环状本体，所述环状本体内分布有若干用于驱动转子组件转动的驱动齿；所述驱动齿的一端为锥形结构，用于增大驱动齿与转子的摩擦面振动振幅和/或接触面积；以及

换能器，所述换能器设置在所述环状本体的外周，且所述换能器相对环状本体圆周阵列分布；

其中，所述换能器包括位移放大机构以及压电叠堆，所述位移放大机构内用于装配所述压电叠堆。

在一些实施例中，所述压电叠堆由压电陶瓷片通过环氧树脂胶水固结而成，且被配置为通过正弦波信号激励，使所述压电叠堆产生振动；所述放大机构被配置为将所述压电叠堆的振动信号进行转换并传递给所述驱动齿。

在一些实施例中，所述位移放大机构内设置有安装槽，所述安装槽内设有用于与压电叠堆连接的矩形凸台，且矩形凸台与压电叠堆的连接面贴覆有绝缘层；

所述位移放大机构远离所述环状本体的一端固定连接有被配置为用于固定所述换能器的固定块。

在一些实施例中，所述绝缘层为氧化铝陶瓷。

在一些实施例中，所述换能器为多组，其中将两个所述换能器作为一组，两个所述换能器中压电叠堆的连线经过所述环形本体的圆心；不同组的换能器被配置为交替的纵向振动，在所述环形本体中激励出弯曲振动行波，所述行波具有有三个波峰和三个波谷，为三波模态。

在一些实施例中，所述驱动齿延所述环状本体的轴向排列，所述驱动齿具有第一接触面和第二接触面，其中所述第一接触面和第二接触面关于所述驱动齿的中轴线对称。

在一些实施例中，所述第一接触面和第二接触面之间还具有连接面，所示第一接触面从靠近所述接触面的一端由高到低设置，所述第二接触面从靠近所述接触面的一端由高到低设置。

在一些实施例中，所述第一转子为圆台结构，所述第二转子下端具有与所述第一转子对应的倒圆台结构，所述第一转子具有与所述第一接触面摩擦耦合的第一圆锥面，所述第二转子具有与所述第二接触面摩擦耦合的第二圆锥面；所述第二转子与所述转轴间通过导向平键连接。

在一些实施例中，还包括转动安装在所述壳体的上端盖中的限位柱，所述转轴的一端穿设于所述限位柱中；

所述转轴套设有压缩弹簧以及活动设置在所述转轴上的调节件，所述压缩弹簧一端与所述第二转子的一侧抵靠，所述压缩弹簧另一端与所述调节件的侧面抵靠。

在一些实施例中，所述压电叠堆通过正弦波信号激励，且正弦波信号的参数设置为：偏移量为0、电压幅值大于200V，激励频率为21kHz～23kHz。

本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明在定子组件中利用位移放大机构对压电叠堆的输出位移进行放大，当位移放大机构的放大比为1.5，使得环状本体的振幅得到增大，进而使转子具有更大的输出力矩，理论输出力矩为2Nm，有效的提高了超声电机的输出功率，理论输出功率为8.37W，解决了现有同体积旋转行波超声电机输出功率较低的问题。

(2)本发明中位移放大机构在这里不仅仅作为传统的“位移放大机构”，来实现对于对压电叠堆的输出放大，也作为一个装夹机构，用来承载并安装多层叠堆陶瓷，压电陶瓷片通过环氧树脂胶水固结而成，再通过矩形凸台安装在位移放大机构中，避免了多层叠堆陶瓷传统的螺栓预压方式，在一定程度上能够降低安装的复杂程度，在保护压电叠堆的同时施加合理的预压力。

(3)本发明通过改变正弦信号的激励电压可增大环状本体与第一转子和第二转子间的摩擦力，使得转子的输出力矩增大或转速增大，从而使得本发明的压电叠堆驱动式行波超声电机更加的适用于精密驱动控制领域。

(4)本发明在转子组件中，利用压缩弹簧产生的力，使第一转子向上运动，第二转子向下运动从而使转子组件将驱动齿夹紧，提升转子组件与定子组件之间的预压力；当对定子施加激励后，压电叠堆驱动信号周期内定子的运动轨迹，当转子组件连续运动时，由于预压力的存在，环状本体内的驱动齿对转子组件的接触表面产生径向的推力使转子顺时针旋转运动。

(5)本示例中环状本体的工作模态为三阶径向弯振，转子与定子驱动齿的接触方式为面接触，且定子驱动齿与转子的接触面相互平行；当需要行波超声电机工作时，使用正弦波信号激励压电叠堆，使压电叠堆产生快速伸长和收缩变形的振动；该振动被菱形位移放大机构转换为换能器的纵向振动，并且环状本体上相对的两个换能器为一组，两组换能器交替的纵向振动在环状本体上激励出弯曲振动行波，环状本体通过驱动齿摩擦耦合带动第一转子和第二转子带动，继而实现带动转子组件持续转动，可以实现通过压电叠堆驱动使得行波超声电机按照固定的方向进行旋转。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。附图中：

图1为本发明实施例提供的旋转型行波超声电机的结构示意图；

图2为图1的结构主视图；

图3为图2中A-A处的剖视图；

图4为本发明实施例提供的电机底座和定子组件的装配结构示意图；

图5为本发明实施例提供的定子组件结构示意图一；

图6为本发明实施例提供的转子组件的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的限位柱的结构示意图。

图8为本发明实施例提供的定子组件结构示意图二；

图9为本发明实施例提供的图8中A处的放大图；

图10为本发明实施例提供的行波超声电机的正弦波驱动信号波形图。

图11a-图11d为定子的运动轨迹在周期内的示意图；

图12为本发明实施例提供的驱动齿结构示意图；

图13为本发明实施例提供的定子组件结构示意图三。

图中：

1、电机底座；101、镂空槽口；2、上端盖；

3、定子组件；301、环状本体；302、驱动齿；302a、第一接触面；302b、第二接触面；302c、连接面；

4、换能器；401、固定块；402、菱形位移放大机构；403、压电叠堆；404、矩形凸台；405、绝缘层；406、安装槽；

5、转子；501、转轴；502、第一转子；502a、第一圆锥面；503、第二转子；503a、第二圆锥面；504、压缩弹簧；505、螺母；506、导向平键；

6、限位柱；601、贯通孔；602、沉孔；603、六角孔；604、圆孔。

具体实施方式

使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-3所示本公开实施例提供一种旋转型行波超声电机，主要包括：壳体、转子组件5以及如上述的定子组件4。

壳体具有安装空间，所述安装空间内设置有如上述示例描述的定子组件。

具体的，本示例中壳体包括电机底座1以及与电机底座可拆卸连接的上端盖2，例如电机底座1上表面通过螺钉连接上端盖2；上端盖2下表面开设有沉槽，使得上端盖2与电机底座1间留有间隙。电机底座1开设有镂空槽口101，用于通过镂空槽口101对定子3中的进行菱形位移放大机构402和压电叠堆403安装，方便导线连接，提高装配的便利性。

转子组件5包括转轴501、第一转子组件502以及活动设置在所述转轴上的第二转子组件503；第一转子组件502与转轴501一端固接，转轴502另一端从所述转子组件中的环状本体301内穿出并转动设置在壳体上；第一转子组件502和第二转子组件503均与所述驱动齿302摩擦耦合。第二转子组件503与转轴501间通过导向平键506连接，使得第二转子组件503保持与转轴501的同步转动，并可沿转轴501轴向滑动。

优选的，上端盖2开设有安装孔，限位柱6与安装孔201连接。限位柱6开设有与转轴501配合的贯通孔601，使得转子组件5的转动更加稳定可靠。

如图4-5所示，总体上，本公开实施例的定子组件3包括环状本体301以及换能器4。

环状本体301为一个基本呈圆筒形结构，在环状本体301的内壁上固设若干驱动齿302。其中驱动齿302延环状本体301的周向排列，且两两相邻的驱动齿302之间具有间隙303。本示例中驱动齿302主要用于与转子进行摩擦耦合，利用压电叠堆403进行驱动环状本体301，实现带动转子进行转动。

换能器4包括位移放大机构402以及压电叠堆403。换能器设置在环状本体301的外周，且所述换能器4相对环状本体301圆周阵列分布。优选的，本示例中位移放大机构402为菱形位移放大机构，在位移放大机构402内装设有压电叠堆403。本领域技术人员应当理解此处的位移放大机构402还可以是柔性铰链位移放大机构等，在此不做限定。

具体的，位移放大机构402内设置有安装槽406，所述安装槽406内设有用于与压电叠堆403连接的矩形凸台404，且矩形凸台404与压电叠堆403的连接面贴覆有绝缘层405。

本示例中，压电叠堆(403)由压电陶瓷片通过环氧树脂胶水固结而成，压电叠堆403由26层尺寸为7mm*7mm*0.7mm。优选的，绝缘层405为氧化铝陶瓷。绝缘层405为氧化铝陶瓷，使得压电叠堆403与菱形位移放大机构402间的绝缘。同时，电机底座1开设有镂空槽口101，用于通过镂空槽口101对定子3中的进行菱形位移放大机构402和压电叠堆403安装，以及导线连接，提高装配的便利性。

其中压电叠堆403被配置为通过正弦波信号激励，使压电叠堆403振动，放大机构402被配置为将压电叠堆403的振动进行转换并传递给所述驱动齿302。本示例在定子组件中利用位移放大机构对压电叠堆的输出位移进行放大，使得环状本体的振幅得到增大，进而使转子具有更大的输出力矩，有效的提高超声电机的输出功率。

如图4、图5和图8所示，在一些实施例中，驱动齿302的输出端为锥形结构，用于增大驱动齿与转子的摩擦面振动振幅；和/或用于增大驱动齿与转子的接触面积。具体的，定子输出端有带对称锥度结构的齿形，齿形是为了增大输出振幅，而对称锥度是为了增大定动子接触面积，增加输出扭矩。本示例中的锥形结构只是为了示意性描述驱动齿与转子的接触部分，并不一定说明锥形驱动齿302的上部3021一定为锥形。

锥形结构具有第一接触面302a和第二接触面302b，其中第一接触面302a与第一转子组件502的第一圆锥面502a摩擦耦合，第二接触面302b与第二转子组件503的第二圆锥面503a摩擦耦合。

如图4和图12所示，作为一种可能的实施方式，在第一接触面302a和第二接触面之间还设有连接面302c，连接面302c存在的目的是防止驱动齿302对转子组件施加压力时，第二转子组件503下表面与第一转子组件502上表面接触，造成额外的能量损耗。本示例中连接面302c为平面，但是本领域技术人员应当理解，此处的连接面302c可以是朝向环状本体圆弧状面，还可以是凹凸不平的面，其目的只要保持第一连接面与第二连接面之间不连续即可，在此不应当理解为对本发明的限定。

另外，又如图12所示，为了便于驱动齿与转子的摩擦耦合，驱动齿302的锥形结构为上部3021，其设为等腰梯形板状结构，驱动齿302的下部3022与环状本体301内壁连接，第一接触面302a从靠近连接面302c的一端由高到低设置，第二接触面302b从靠近接触面302c的一端由高到低设置。在等腰梯形中第一接触面302a与底面302d形成夹角C。申请人经过多次测试发现该夹角C的范围在10°-80°之间，例如20°,30°,40°，50°或60°。驱动齿的第一接触面302a、第二接触面面302b与第一转子组件502以及第二转子组件503锥面的接触面积较大，使得电机的输出功率更大。应当理解，夹角C参数是根据环状本体301的厚度以及驱动齿与转子间的配合方式综合考虑的。这个夹角的数值不是固定的，可以根据转子的形状尺寸变化。

需要说明的是，如图11-13所示，本示例中驱动齿302的作用是将定子的微幅高频振动转换为转子的转动。驱动齿的第一接触面302a与第二转子组件503的圆锥面平行，第二接触面302b与第一转子组件502的圆锥面平行。在转子组件中，当顺时针旋转与转轴501螺接的螺母505时，挤压弹簧504,由于转轴501上的螺纹以及弹簧504产生的力，使第一转子组件502向上运动、第一转子组件503向下运动从而使转子组件将驱动齿302夹紧，提升转子组件与定子组件之间的预压力；当对定子施加激励后，压电叠堆驱动信号周期内定子的运动轨迹，如图11a-11d所示，图11(a)为t＝nT时定子的运动状态，图11(b)为t＝(n+1/4)T时定子的运动状态，图11(c)为t＝(n+1/2)T时定子的运动状态，图11(d)为t＝(n+3/4)T时定子的运动状态,其中t为运动时间，n为正整数，T为驱动信号的周期，当图11(a)-11(d)连续运动时，由于预压力的存在，环状本体301内的驱动齿对转子接触表面产生径向的推力使转子顺时针旋转运动。

如图3和6所示，在一种可能的实施方式中，第一转子组件502为圆台结构，第二转子组件503下端具有与所述第一转子组件502相对应的倒圆台结构，第二转子上端为圆柱结构并与第二转子的下端一体成型，第一转子具有与所述第一接触面302a摩擦耦合的第一圆锥面502a，第二转子具有与所述第二接触面302b摩擦耦合的第二圆锥面503a。进一步，第一转子组件502和第二转子组件503的锥面角度为与驱动齿上的夹角C相适应，使得第一转子组件502和第二转子组件503的圆锥面分别与驱动齿302的第一连接面302a和第二连接面302b更好的配合，实现更佳的传动效率。

本示例中环状本体的工作模态为三阶径向弯振，转子与定子驱动齿的接触方式为面接触，且定子驱动齿与转子的接触面相互平行。当需要行波超声电机工作时，使用正弦波信号激励压电叠堆403，使压电叠堆403产生快速伸长和收缩变形的振动；该振动被菱形位移放大机构402转换为换能器4的纵向振动，并且环状本体301上相对的两个换能器4为一组，两组换能器4交替的纵向振动在环状本体301上，激励出弯曲振动行波，环状本体301通过驱动齿302摩擦耦合带动第一转子组件502和第二转子组件503运动，继而实现带动转子持续转动，实现通过压电叠堆403驱动使得行波超声电机按照固定的方向进行旋转。

另外，压电叠堆403的工作模式为d33，压电叠堆403通过正弦波信号激励，且正弦波信号的参数设置为：偏移量为0、电压幅值大于200V，激励频率为21kHz～23kHz。

需要说明的是，在正弦信号的一个周期内，环状本体301上激励出的弯曲振动行波使环状本体上的驱动齿302表面与第一转子组件502和第二转子组件503的接触面之间产生摩擦，使得电机的转子组件5产生一个微位移，持续的激励信号使得该位移连续，从而实现转子组件5的连续转动。改变正弦信号的激励电压可增大电机定子与电机转子间的摩擦力，使得电机的输出力矩增大或转速增大。

作为一种优选的实施方式，又如图3和6所示，转轴501中套设有压缩弹簧504以及活动设置在所述转轴501上的调节件，压缩弹簧504一端与所述第二转子的一侧抵靠，所述压缩弹簧另一端与所述调节件的侧面抵靠。通过调节调节件在转轴上的距离，从而调整第二转子与第一转子之间的距离。

具体的，本示例中调节件为与转轴501螺纹连接的螺母505；压缩弹簧504下端与第二转子组件503上端相抵，压缩弹簧504的上端与螺母505相抵，用于通过螺母505调节压缩弹簧504对第二转子组件503的下压力，通过调整压缩弹簧504对第二转子组件503的下压力，使得第一转子组件502和第二转子组件503夹紧在环状本体301两端，并与驱动齿302保持良好的接触。

另外，限位柱6外壁转动连接有轴套，轴套外壁与安装孔201通过螺纹连接，通过轴套转动实现限位柱6的轴向移动。限位柱6下端开设有沉孔602；沉孔602内顶面开设有与螺母505配合的六角孔603，用于通过限位柱6转动，实现对螺母505的旋拧。

进一步的，通过转动轴套使得限位柱6下移，当六角孔603与螺母505配合后，通过限位柱6即可带动螺母505转动，如将螺母505朝下移动，则提高压缩弹簧504对第二转子组件503的下压力。调节完成后可通过转动轴套，使得限位柱6上移，将六角孔603与螺母505分离。

需要说明的是，本示例中对转子组件施加预压力的方式是通过旋转螺母505的方式；转轴501上具有螺纹，当顺时针旋转螺母时，转轴上201的螺纹以及弹簧504均会产生作用力，同过转子与定子的配合达到对转子施加预压力得目地。本领域技术人员应当理解此处的调节件还可以是活动嵌入在转轴501上的拨块，拨块的延伸出转轴501的部分与压缩弹簧504抵靠接触。

如图1所示，作为一种可能的实施方式，限位柱6上端面开设有相对贯通孔601对称分布的圆孔604，用于通过圆孔604对限位柱6进行旋转，如通过双销扳手对限位柱6进行旋转，可以更好实现对于旋转型行波超声电机的装配。

运行原理说明：

通过控制输入激励信号，实现两组换能器4在环状本体301上激励出两个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的径向弯振模态响应，两个弯振模态响应叠加(不叠加时均为驻波)在环状本体上形成弯曲振动行波，驱动齿表面质点产生椭圆轨迹振动，进而通过驱动齿和转子之间的摩擦耦合实现转子的宏观运动输出。

圆筒径向弯曲振动模态振型对应的驻波可以用如下形式表达

w＝Asin(nθ)sin(ωt) (1)

式中A表示驻波振幅；n表示圆筒弯曲振动模态振型中节径数，本示例中n＝3；ω表示振动角频率；θ表示角位置。

假设驱动齿具有足够的刚度，并且始终与驻波切线保持垂直。取P点为驱动齿302驱动表面中心点，则P点的周向位移为

ΔV

式中，H表示P点到圆筒中性层的高度；β表示驱动齿所在截面在弯振下的偏转角度，β可由下式计算得出

式中，R表示圆筒中性层半径，考虑到w＜＜R，β可以简化为

因为β为一个微小的角度，可取sinβ≈tanβ，则P点的周向位移可以通过式(2)和式(4)得出：

P点在圆筒径向的位移为

ΔW

因为β为一个微小的角度，可取cosβ≈1，则式(6)可简化为

ΔW

结合式(1)和式(7)，可得P点在圆筒径向的位移

ΔW

P点在圆筒周向和径向的位移可表达为

环状本体中通过两组换能器激励出的两列驻波可以表示为

式中φ表示两列驻波在空间上的相位差；

在两列驻波叠加的情况下，P点的位移ΔV

当A

根据式(12)可得P点的运动轨迹

式(13)表明驱动齿表面中心点P点的运动轨迹为椭圆，并且该椭圆运动

轨迹和角位置θ无关，驱动齿具有振幅放大的作用。

当A

w＝w

式(14)为典型的行波方程。当A

驻波叠加后的方程为

w＝w

式(15)给出的行波与式(14)给出行波方向相反，因此，对于纵振换能器式圆筒型行波超声电机，通过调整两相激励电压的相位差，可以在环状本体301中激励出反向的行波，从而实现转子换向。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

还需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“一”、“二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。