一种采用外支撑结构定子驱动的超声波电机制造技术

本实用新型专利技术公开了一种采用外支撑结构定子驱动的超声波电机。在外壳内的轴承孔中装有输出轴，在输出轴的大端面上装有转子，通过固定螺钉与输出轴紧固连接成一体，转子外面设置外支撑结构定子，通过端盖固定在基座上面，输出轴（１８）的小端和预压力微调机构配合。采用外支撑结构定子驱动形式，定转子之间的静态弯曲配合程度提高，接触面积增大，电机能量转换效率提高，输出性能大大提高；采用空心结构输出轴，以及径向轴承和套筒的作用，电机输出轴的径向波动较小，实现了电机的稳定运转，且没有噪声。定转子之间的轴向预压力调节非常的方便，可以实现预压力的粗调和微调，克服以往超声波电机预压力调节困难的缺陷，这可以大大提高电机的性能和使用寿命。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及超声波电机，尤其是涉及一种采用外支撑结构定子驱动的 超声波电机。技术背景现有行波超声波电机都是采用内支撑结构定子驱动转子进行旋转运动的， 由于受到内支撑结构的约束，定子内、外表面的振动特性存在较大的差异，定 转子之间的静态弯曲配合程度降低，且接触面不均匀，使得电机运行效率低， 并且产生刺耳的噪声。为使电机运行稳定且不产生噪声，目前主要采用以下两 个措施 一是采用了窄接触面的转子，该方法在一定程度上可以提高电机运行 的稳定度，但由于接触面的减小，电机的力能指标也随之降低；二是增大定转 子之间的预压力，促使定子振动时定转子接触面均匀，达到降低噪声的效果， 但从能量传递效率上来讲，预压力增大意味着电机的摩擦损耗增大，因此，电 机换能效率不高，且电机发热比较严重。
技术实现思路
本技术的目的在于提供了一种采用外支撑结构定子驱动的超声波电 机，具有改善电机定转子之间的静态弯曲配合程度，增大定转子的接触面积、 提高超声波电机的能量传递效率和力能指标。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是在外壳内的轴承孔中装有输出轴，在输出轴的大端面上装有转子，通过固 定螺钉与输出轴紧固连接成一体，转子外面设置外支撑结构定子，通过端盖固 定在基座上面，输出轴的小端和预压力微调机构配合。所述的外支撑结构定子是由金属弹性体、压电陶瓷片和外支撑结构组成的 复合体，金属弹性体表面每隔6度开有1个定子齿，齿槽的形式为定子外椽齿 槽较内椽齿槽浅的斜形齿槽。所述的预压力微调机构，是输出轴的小端从外壳内向外，依次与装在外壳 内的金属垫圈、推力轴承、弹簧垫和调节螺母组成。本技术具有的有益效果是-1、采用外支撑结构定子驱动形式，定转子之间的静态弯曲配合程度提高， 接触面积增大，电机能量转换效率提高，输出性能大大提高。2、 由于采用空心结构输出轴，以及径向轴承和套筒的作用，电机输出轴 的径向波动较小，实现了电机的稳定运转，且没有噪声。3、 定转子之间的轴向预压力调节非常的方便，可以实现预压力的粗调和微 调，克服以往超声波电机预压力调节困难的缺陷，这可以大大提高电机的性能 以及使用寿命。4、 电机采用比较灵活的安装固定方式，可以满足不同工况下的安装要求。附图说明图1是采用外支撑结构定子驱动的行波型超声波电机结构示意图。图2是外支撑结构定子。图3是图2的俯视图。图中1、引线孔，2、端盖，3、定子，4、预压力粗调螺钉，5、基座，6、 橡胶垫圈，7、转子，8、固定螺钉，9、径向轴承，10、套筒，11、外壳，12、 径向轴承，13、金属垫圈，14、推力轴承，15、安装螺钉孔，16、弹簧垫，17、 调节螺母，18、输出轴，3.1、定子齿，3.2、金属弹性片，3.3、外支撑结构，3.4、 压电陶瓷片，3.5、小孔。具体实施方式如图1所示，本技术在外壳11内的轴承孔中装有输出轴18，在输出轴 18的大端面上装有转子7，通过固定螺钉8与输出轴18紧固连接成一体，转子 7外面设置外支撑结构定子3，通过端盖2固定在基座5上面，基座5与外壳11 间装有橡胶垫圈6，通过预压力粗调螺钉4与外壳11紧固连接，输出轴18的小 端和预压力微调机构配合。如图2、 3所示，所述的外支撑结构定子3是由金属弹性体3.2、压电陶瓷 片3.4和外支撑结构3.3组成的复合体，金属弹性体3.2表面每隔6度开有1个 定子齿3.1，齿槽的形式为定子外边缘齿槽较内边缘齿槽浅的斜形齿槽。如图1所示，所述的预压力微调机构，是输出轴18的小端从外壳11内向 外，依次与装在外壳11内的金属垫圈13、推力轴承14、弹簧垫16和调节螺母 17组成。如图2所示，所述的外支撑结构定子是由金属弹性体3.2、压电陶瓷片3.4 和外支撑结构3.3组成的复合体。定子采用磷青铜等高密度材料，定子表面每隔 6度切有1个齿槽，且齿槽的形式为斜形，即定子外椽齿槽较内边缘齿槽浅。在 压电陶瓷片3.4上施加交变电压后能产生机械谐振位移，它通过定子齿3.1的放 大作用将谐振位移传递给转子，这样就实现了电能转化成机械能，促使转子的转动。外支撑结构3是厚度为0.4mm的薄弱环节，其刚度与定子弹性体3.2刚 度相比非常小，同时在其上面每隔6度开一个小孔3.5，且小孔的位置恰好位于 齿槽中心线上。采用此结构有以下优点-一、 采用厚度较薄的外支撑结构，且支撑结构上每隔6度开有一个小孔3.5， 可以降低外支撑结构的刚度，大大降低它对定子外边缘的约束作用，改善了定 子表面振动位移的均匀性，大大提高电机运行的平稳性。二、 外支撑结构使定子表面振动位移沿径向的分布差值减小，可以大幅提 高定转子之间的静态弯曲配合程度，增大定转子接触面的接触范围，达到提高 电机性能的效果，转速和力矩都能大幅提高。三、 定子表面开斜齿槽，使得齿对定子内椽表面质点振动位移的放大程度 要比外椽大，这有利于提高定子表面质点振动位移的一致性，达到降低噪声效 果。四、 另外，外支撑结构和斜齿槽结构还可以使定子和压电陶瓷之间胶层受 到的最大剪切应力向定子中心移动，避免了定子边缘出现应力集中现象，保证 胶层受到均匀的剪切应力，大大提高电机使用寿命。从性能上看，采用内支撑结构定子的换能效率也较差，由于受到内支撑的 约束作用，定子内边缘的振幅较小，而外边缘的振幅较大，但由于定转子压紧 力是斜向作用的，使定转子之间的接触仅局限于定子内椽较小的范围内，这不 利于电机性能的提高，定转子之间的换能效率降低。另外，由于内外边缘的振 动幅值相差较大，造成接触区中不同接触点上的定转子相对速度差很大，使电 机运行时出现噪声，且电机的性能也不稳定和理想。而采用外支撑结构定子时， 由于内椽处于自由状态，不受支撑结构的约束，并且由于斜齿槽的作用，使定 子内边缘表面振幅大大提高，降低了内外边缘振动幅值之间的差值，提高了定 子表面振动幅值的均匀性和一致性，增加了定转子之间的径向静态弯曲配合程 度和接触面积，从而使电机的性能得到大大提高，其换能效率也得到大幅提升。 除此之外，由于内外边缘振动幅值相差较小，使接触区中不同接触点上的定转 子相对速度差减小，电机运转时噪声很小。有限元分析表明，采用外支撑结构 形式的定子工作频率附近的模态频率相差较大，模态十分清晰，不容易出现模 态混叠，也就不易出现噪声。研制的外支撑结构定子性能较好，定子固有模态 频率为45.186kHz，其相邻模态频率分别为41.306kHz和49.243kHz。采用外支撑结构定子驱动的行波型超声波电机结构如图1所示，上述的外 支撑结构定子3通过端盖2的拧紧作用，将其固定在基座5上面，基座5通过其上面的4个预压力粗调螺钉与外壳11紧固连接。预压力的粗调大小可以由基 座5和外壳11之间的橡胶垫圈6的压縮变形来控制。转子7与输出轴18通过 固定螺钉8实现紧固连接，同时，为了减少输出轴惯量对电机性能的影响，输 出轴18采用空心结构，它在电机内部的径向定位则由径向轴承9、 12和套筒10 来保证。定转子之间的预压力还可以通过推力轴承14、弹簧垫16和预压力微调 机构17来配合完成，当旋动调节螺母17时，弹簧垫16压縮变形，由此产生的 压力通过推力轴承14将其传递到转子上，从而达到调节定转子之间预压力的效 果。除了上述电机预压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用外支撑结构定子驱动的超声波电机，其特征在于：在外壳（１１）内的轴承孔中装有输出轴（１８），在输出轴（１８）的大端面上装有转子（７），通过固定螺钉（８）与输出轴（１８）紧固连接成一体，转子（７）外面设置外支撑结构定子（３），通过端盖（２）固定在基座（５）上面，输出轴（１８）的小端和预压力微调机构配合。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王光庆，郭吉丰，
申请(专利权)人：浙江工商大学，
类型：实用新型
国别省市：86[中国|杭州]