利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，属于超声电机技术领域。它解决了柱状定子弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转-直线超声电机微型化时输出力矩小的问题。它包括螺纹输出轴、金属管弹性套筒和m组压电陶瓷片，或者包括螺纹输出轴、压电陶瓷管、两个金属帽和p组外电极，本发明专利技术为通过激发自由定子空间上相互正交的两个高阶弯曲振动，如二阶或三阶弯曲振动模态，利用振动的叠加与耦合，在由金属管弹性套管和m组压电陶瓷片组成的定子驱动端的内表面产生驱动行波，定子与螺纹输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转-直线运动输出。本发明专利技术作为旋转直线超声电机。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，属于超声电机
技术介绍
利用柱状定子弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转-直线超声电机是诸多类超声电机中的一种，相对于其它类超声电机，该类超声电机的定子与输出轴通过螺纹副传动，通过激发定子空间上相互正交的两个弯曲振动模态，利用振动的耦合与叠加，在定子驱动端的内表面产生驱动行波，它能够较容易的实现螺纹输出轴旋转-直线自由度运动的输出。它与圆盘行波类超声电机相比，具有结构简单、易于微型化及定位精度高的特点。·基于螺纹副传动的螺纹驱动型超声电机根据超声电机定子结构与激振模式的不同可分为以下几种定子为多面体结构的利用面内弯曲振动模态耦合驱动行波的螺纹驱动多面体超声电机，利用环状超薄结构定子面内弯曲振动模态驻波驱动的螺纹驱动型超声电机，这两类电机的定子多采用多面体或圆环状结构，通过激发定子的面内振动模态实现电机输出部件的旋转-直线运动。为了降低电机定子的共振频率，还提出了一种定子采用悬臂梁结构的一端固支的压电复合弯曲梁驱动的螺纹直线电机，该类电机主要是利用柱状悬臂梁结构定子的空间正交弯曲振动模态的耦合产生驱动行波，实现输出轴的运动输出；另一种有代表意义的螺纹驱动型柱状旋转-直线超声电机主要有定子为粘贴压电片的金属管式与压电管式两种类型的超声波导螺杆电动机，该超声波导螺杆电动机主要是利用两端自由约束的柱体定子空间上正交的两个一阶弯曲振动相互耦合，在定子自由端的内表面产生驱动行波，定子与输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转-直线运动输出；上述螺纹驱动型超声电机定子所用的压电元件多采用d31振动模式，该种振动模式在电机的微型化制造方面存在一定的优势，特别是对于超声波导螺杆电动机来说，该优势体现得更为明显，但却同时不可避免的存在输出力较小的实际问题。为了提高电机的输出力，改善负载特性，出现了一类利用压电元件d33振动模式的压电片夹心式旋转直线超声电机，以及利用模态转换型的压电螺纹传动直线超声电机，与利用压电元件d31振动模式的螺纹驱动型超声电机相比，该类电机在输出力上具有明显优势，但存在微型化较困难的问题。
技术实现思路
本专利技术是为了解决柱状定子弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转-直线超声电机微型化时输出力矩小的问题，提供一种利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机。本专利技术的第一种技术方案利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴、金属管弹性套筒和m组压电陶瓷片，m为正整数，金属管弹性套筒套接在螺纹输出轴的外表面，并与螺纹输出轴通过螺纹副相配合连接，金属管弹性套筒横截面的外轮廓呈正η边形，η的取值为4的整数倍，金属管弹性套筒外表面上沿轴向均匀分布m组压电陶瓷片，每组压电陶瓷片由η片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷片的η片压电陶瓷片对应分布在金属管弹性套筒外表面的每个平面上；压电陶瓷片沿厚度方向极化，压电陶瓷片的上表面和下表面均镀有银电极。 本专利技术的第二种技术方案利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴、金属管弹性套筒和m组压电陶瓷片，m为正整数，金属管弹性套筒套接在螺纹输出轴的外表面，并与螺纹输出轴通过螺纹副相配合连接，金属管弹性套筒横截面的外轮廓为由圆弧和两条直线段组成的形状，其中圆弧大于或等于二分之一圆周，两条直线段等长且相互垂直；金属管弹性套筒外表面上沿轴向均匀分布m组压电陶瓷片，每组压电陶瓷片由两片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷片的两片压电陶瓷片对应分布在金属管弹性套筒外表面的两个平面上；压电陶瓷片沿厚度方向极化，压电陶瓷片的上表面和下表面均镀有银电极。上述两种技术方案中，所述m组压电陶瓷片分别位于金属管弹性套筒的m阶弯曲振动的m个振幅的中心波幅处。所述压电陶瓷片通过环氧树脂胶与金属管弹性套筒外表面粘接固定。所述金属管弹性套筒的材质为钛合金、铜合金、合金钢或铝合金；压电陶瓷片的材质为具有压电效应的压电陶瓷材料。本专利技术的第三种技术方案利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴、压电陶瓷管、两个金属帽和P组外电极，P为正整数，压电陶瓷管的两端分别粘接一个金属帽形成定子，所述定子套接在螺纹输出轴外侦牝并且两个金属帽与螺纹输出轴通过螺纹副相配合连接，压电陶瓷管内表面上覆盖有内电极，压电陶瓷管的外表面上沿轴向均匀分布P组外电极，每组外电极包括q个外电极，q的取值为4的整数倍，每组外电极中的q个外电极沿压电陶瓷管的圆周方向均匀分布固定，压电陶瓷管沿径向方向极化。所述压电陶瓷管与金属帽之间采用环氧树脂胶粘接固定。所述金属帽的材质为钛合金、铜合金、合金钢或铝合金；压电陶瓷管的材质为具有压电效应的压电陶瓷材料。上述三种技术方案中所述螺纹输出轴的两端为平头结构或者为球端结构。螺纹输出轴的材质为铜合金、合金钢类金属或聚四氟乙烯类高聚物材料。本专利技术的优点是本专利技术通过激发自由定子空间上相互正交的两个高阶弯曲振动，如二阶或三阶弯曲振动模态，利用振动的叠加与耦合，在由金属管弹性套管和m组压电陶瓷片组成的定子驱动端的内表面产生驱动行波，定子与螺纹输出轴通过螺纹副传动，在轴向负载力的作用下实现输出轴的旋转-直线运动输出。本专利技术所述超声电机的性能有明显的改善，尤其在输出力方面，在满足微型化的同时，其最大输出力与现在技术相比可提高约50%以上。本专利技术工作效率高，机械特性好，促进了弯曲振动模态旋转-直线型超声电机的实用化和微型化进程。本专利技术在航空航天、医疗器械、智能机器人、数码产品以及精密驱动系统等领域有着广阔的应用前景。附图说明图I为本专利技术实施方式一所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中压电陶瓷片为两组，金属管弹性套管横截面的外轮廓呈正方形；图中“ + ”号和号表示压·电陶瓷片的极化方向；图2为图I的沿轴向的剖视图；图3为图I的侧视方向剖视图；图中箭头表示压电陶瓷片的极化方向；图4为图I所示超声电机的二阶弯曲振动模态示意图；图5为本专利技术实施方式一所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中压电陶瓷片为三组，金属管弹性套管横截面的外轮廓呈正方形；图6为图5的沿轴向的剖视图；图7为图5所示超声电机的三阶弯曲振动模态示意图；图8为本专利技术实施方式二所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中压电陶瓷片为两组；图9为图8的侧视方向剖视图；图10为图8所示超声电机的二阶弯曲振动模态示意图；图11为本专利技术实施方式二所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中压电陶瓷片为三组；图12为图11所示超声电机的三阶弯曲振动模态示意图；图13为本专利技术实施方式六所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中外电极为两组；图14为图13的沿轴向的剖视图；图15为图13所示超声电机的二阶弯曲振动模态示意图；图16为本专利技术实施方式六所述螺纹驱动型旋转直线超声电机的结构示意图，图中外电极为三组；图17为图16的沿轴向的剖视图；图18为图16所示超声电机的三阶弯曲振动模态示意图。具体实施例方式具体实施方式一下面结合图I至图7说明本实施方式，本实施方式所述利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，它包括螺纹输出轴I、金属管弹性套筒2和m组压本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，其特征在于：它包括螺纹输出轴(1)、金属管弹性套筒(2)和m组压电陶瓷片(3)，m为正整数，金属管弹性套筒(2)套接在螺纹输出轴(1)的外表面，并与螺纹输出轴(1)通过螺纹副相配合连接，金属管弹性套筒(2)横截面的外轮廓呈正n边形，n的取值为4的整数倍，金属管弹性套筒(2)外表面上沿轴向均匀分布m组压电陶瓷片(3)，每组压电陶瓷片(3)由n片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷片(3)的n片压电陶瓷片对应分布在金属管弹性套筒(2)外表面的每个平面上；压电陶瓷片(3)沿厚度方向极化，压电陶瓷片(3)的上表面和下表面均镀有银电极。
【技术特征摘要】
1.一种利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，其特征在于它包括螺纹输出轴(I)、金属管弹性套筒(2)和m组压电陶瓷片(3)，m为正整数， 金属管弹性套筒(2)套接在螺纹输出轴(I)的外表面，并与螺纹输出轴(I)通过螺纹副相配合连接，金属管弹性套筒(2)横截面的外轮廓呈正η边形，η的取值为4的整数倍， 金属管弹性套筒(2)外表面上沿轴向均匀分布m组压电陶瓷片(3)，每组压电陶瓷片(3)由η片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷片(3)的η片压电陶瓷片对应分布在金属管弹性套筒(2)外表面的每个平面上； 压电陶瓷片(3)沿厚度方向极化，压电陶瓷片(3)的上表面和下表面均镀有银电极。2.一种利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，其特征在于它包括螺纹输出轴(I)、金属管弹性套筒(2)和m组压电陶瓷片(3)，m为正整数， 金属管弹性套筒(2)套接在螺纹输出轴(I)的外表面，并与螺纹输出轴(I)通过螺纹副相配合连接，金属管弹性套筒(2)横截面的外轮廓为由圆弧和两条直线段组成的形状，其中圆弧大于或等于二分之一圆周，两条直线段等长且相互垂直； 金属管弹性套筒(2)外表面上沿轴向均匀分布m组压电陶瓷片(3)，每组压电陶瓷片(3)由两片压电陶瓷片组成，每组压电陶瓷片(3)的两片压电陶瓷片对应分布在金属管弹性套筒(2)外表面的两个平面上； 压电陶瓷片(3)沿厚度方向极化，压电陶瓷片(3)的上表面和下表面均镀有银电极。3.根据权利要求I或2所述的利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，其特征在于所述m组压电陶瓷片(3)分别位于金属管弹性套筒(2)的m阶弯曲振动的m个振幅的中心波幅处。4.根据权利要求I或2所述的利用柱状定子高阶弯曲振动模态的螺纹驱动型旋转直线超声电机，其特征在于所述压电陶瓷片(3...
【专利技术属性】
技术研发人员：包钢，程廷海，高焓，郭向东，肖承丰，王维，张宏宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。