[發(fā)明專利]一種基于非對稱結構的單模微型超聲電機

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202211000369.3
• 申請日: 2022-08-19
• 公開（公告）號: CN115360933A
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發(fā)明（設計）人: 潘巧生;王雅;陳立蔚;萬澳德;李瑞君
• 申請（專利權）人: 合肥工業(yè)大學
• 主分類號: H02N2/12
• 分類號: H02N2/12;H02N2/14
• 代理公司: 合肥金安專利事務所(普通合伙企業(yè)) 34114
• 代理人: 金惠貞

本發(fā)明涉及一種基于非對稱結構的單模微型超聲電機，屬于超聲波電機技術領域。包括定子機構、轉子機構和預壓彈簧；定子機構包括金屬空心的平行四邊形框架狀的單模壓電振子和兩對壓電陶瓷片；兩對壓電陶瓷片分別設于單模壓電振子的兩對側邊的外側面上，兩對側邊的內(nèi)側面上分別為一對第一圓弧面和一對第二圓弧面；每對壓電陶瓷片的極化方向相反；轉子機構包括設于轉軸的一對轉子；單模壓電振子套設于一對轉子上，且兩對圓弧面作為摩擦界面，與一對轉子的圓錐面耦合接觸。本發(fā)明采用單一定子的一階平面收縮擴張振動模態(tài)或二階平面收縮擴張振動模態(tài)，實現(xiàn)轉子機構的順時針運動輸出或逆時針運動輸出。本發(fā)明結構設計合理，簡單緊湊、體積小。

技術領域

本發(fā)明屬于超聲波電機技術領域，具體是一種基于非對稱結構的單模微型超聲電機。

背景技術

超聲壓電電機是一種新型驅(qū)動器，利用壓電材料的逆壓電效應，將電能轉化為機械振動能，通過定動子之間的摩擦作用將定子微幅振動轉換為動子的宏觀運動，實現(xiàn)電能到機械能的轉化。與電磁電機相比，壓電電機具有結構緊湊、響應速度快、位移分辨率高、低速大轉矩等優(yōu)勢，被廣泛應用于航空航天、光學儀器、生物醫(yī)學工程、精密設備等領域。

根據(jù)振動模式的個數(shù)，超聲壓電電機可分為單模電機和多模電機。多模電機在設計過程中需要對多個振動模態(tài)進行頻率簡并，因此在設計時對定子的尺寸要求嚴格，增加了結構設計難度，降低了電機設計的靈活性。此外多模電機需要多個驅(qū)動信號和信號之間的精確相位控制，這導致控制系統(tǒng)較為復雜。

而單模超聲電機只需要單模態(tài)驅(qū)動，采用單相信號控制，可以簡化控制電路，具有緊湊的結構，近年來受到廣泛關注。然而，單模超聲電機有一個主要缺點：單定子難以實現(xiàn)雙向運動。為了實現(xiàn)雙向運動，單模超聲電機中常使用不對稱電信號驅(qū)動和不對稱結構驅(qū)動，這會導致結構的復雜性和裝配問題，電機體積較大，難以同時實現(xiàn)結構簡單、體積小和雙向驅(qū)動的特點。

發(fā)明內(nèi)容

為了實現(xiàn)利用兩個獨立的頻率和振動模態(tài)進行激勵，通過定子和動子之間的摩擦耦合來驅(qū)動轉子實現(xiàn)兩個方向的運動，同時實現(xiàn)結構簡單緊湊、體積小，本發(fā)明提供一種基于非對稱結構的單模微型超聲電機。

一種基于非對稱結構的單模微型超聲電機包括定子機構、轉子機構和預壓彈簧5；

所述定子機構包括單模壓電振子1和兩對壓電陶瓷片；所述單模壓電振子1為金屬的空心的平行四邊形框架，平行四邊形框架的軸向一側面的上下一對邊框上分別設有第一圓弧面11，且一對第一圓弧面11上下對稱；平行四邊形框架的軸向另一側面的上下一對邊框上分別設有第二圓弧面12，且一對第二圓弧面12上下對稱；一對壓電陶瓷片為第一壓電陶瓷片7和第二壓電陶瓷片8，中心對稱固定設于單模壓電振子1上下對稱的一對邊框的外側面上，且第一壓電陶瓷片7和第二壓電陶瓷片8的極化方向相反；另一對壓電陶瓷片為第三壓電陶瓷片9和第四壓電陶瓷片10，中心對稱固定設于單模壓電振子1左右對稱的一對邊框的外側面上，且第三壓電陶瓷片9和第四壓電陶瓷片10的極化方向相反；

所述轉子機構包括一對轉子和轉軸2；一對轉子為第一轉子3和第二轉子4，設于轉軸2上，且能在轉軸2上沿著軸向滑動；所述第一轉子3和第二轉子4為結構相同的圓錐臺狀，且小直徑端相對位于轉軸2上；

所述轉軸2的一端設有端蓋21，另一端上開設有一條以上的卡槽22，每條卡槽22內(nèi)配合設有卡簧6；

所述預壓彈簧5套設在端蓋21和與之相鄰的一對轉子中的一個轉子之間的轉軸2上，并緊壓端蓋21和與之相鄰的一對轉子中的一個轉子；

所述定子機構的單模壓電振子1套設于所述轉子機構的一對轉子上，且單模壓電振子1的一對圓弧面作為摩擦界面，與轉子機構的一對轉子的圓錐面耦合接觸；

所述定子機構具有兩個工作模態(tài)：當兩對壓電陶瓷片同時施加一階頻率的電壓信號時，實現(xiàn)一階平面收縮擴張振動模態(tài)；一對第一圓弧面11和一對第二圓弧面12表面質(zhì)點的運動軌跡為經(jīng)過第二四象限的斜線軌跡，單模壓電振子1與轉子機構的一對轉子的圓錐面耦合接觸產(chǎn)生的摩擦力，實現(xiàn)轉子機構的順時針運動輸出；