[发明专利]一种单相电源驱动的超声波电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波电机，更具体地说，是涉及一种利用弛豫铁电单晶优化的压电材料的逆压电效应研制出的单相电源驱动的超声波电机，属于电机技术领域。

背景技术

超声波电机简称超声电机，又称压电马达，是20世纪80年代才诞生的一种全新概念的电机种类。超声电机是采用与传统的电磁式电机截然不同的全新的原理和全新的结构形式，不需要磁铁和线圈，而是利用压电材料的逆压电效应激发某种特定模态的超声振动，从而将电能转换成机械能，获得机械输出的一种驱动器。超声电机的原理是通过压电材料的逆压电效应，利用外加交变电场，使压电材料交变伸缩。超声电机主要由定子、转子及其他的一些构件组成。超声电机与传统的电磁电机相比有以下的优点：1)电磁电机在高速下效率高但是转矩小，而超声电机低速下转矩大且效率高；低速大转矩，无需齿轮增减速机构就可实现直接驱动；2)转子惯性小，响应时间小于1ms，能够实现纳米级精确定位；3)由于定子转子之间的摩擦，马达能够断电自锁；4)结构简单、紧凑，可以实现短、小、薄的特点，容易和其它的装置实现集成化；5)工作在超声频段，不产生噪声；6)由于未使用磁电感应，因而不受磁场干扰。因此超声电机被广泛应用在工业、民用及航空航天等领域。

超声电机按照运动形式来划分，可以分为旋转型和直线型两种类型的超声电机。早在1987年，日本佳能公司研制出第一台用旋转型超声电机变焦的相机，成功地将环形超声电机应用到EOS(Electro OpticalSystem)系列全时手动高档相机，90年代中期又开发了一种柱状的超声波电机用于照相机的调焦，这种电机采用4片环形压电陶瓷，每片陶瓷分成两个区，极化方向相反，两片为一组，极化方向相反进行叠堆，这样一组陶瓷片采用交流激励电压就可以激发出定子的弯曲振动，用两个互相垂直的弯曲振动就可以合成定子端面质点的椭圆运动，从而可以驱动电机运转。此类电机由于涉及到多片压电陶瓷片的叠堆，并且极化方向不同，工艺较复杂，且采用两相高频交流电信号激励，这导致这类电机的价高较高。现有技术中还有另一种超声电机，此电机主要由六片压电陶瓷片、定子、转子以及压紧装置组成，压电陶瓷片由上到下依次逆时针旋转60度，每一片分成两个区，极化方向相反，施加同一电压后，一部分膨胀，另一部分缩小。所有压电陶瓷片用同一相位的单相电压驱动。但是此电机的装配以及极化工艺仍较为复杂，不利于大批量生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种单相电源驱动的超声波电机，以解决现有技术中的环形超声电机存在体积大、驱动电路复杂等缺陷问题，大大简化超声电机的驱动系统，满足工业化的需求。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种单相电源驱动的超声波电机，包括定子、上转子、下转子、机械输出杆以及压紧部件，所述定子包括压电片、空心金属直管，压电片与空心金属直管固定连接；所述上、下转子分别设于空心金属直管的上端、下端，并与贯穿空心金属直管的机械输出杆相连接；所述压紧部件包括弹簧以及螺母；螺母与机械输出杆的上端以螺纹连接；弹簧套设在螺母与上转子之间的机械输出杆上；其特征在于：所述压电片为2片，设于空心金属直管外侧的同一横截面上，且两片压电片的延伸平面构成夹角；所述两片压电片中的一片与交流电源相连接，另一片与空心金属直管相连接；所述空心金属直管接地；所述压电片的材料为弛豫铁电单晶。

所述弛豫铁电单晶的化学组成推荐为(1-x)Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃、(1-x)Pb(Zn_1/3Nb_2/3)O₃-xPbTiO₃或Pb(Zr_xTi_1-x)O₃中的一种。

所述弛豫铁电单晶的化学组成推荐在固溶体的准同型相界附近。

所述弛豫铁电单晶的取向推荐为<001>或<011>。

两片压电片的延伸平面的夹角推荐为90°。

所述压电片推荐通过环氧树脂与空心金属直管固定连接。

所述空心金属直管与下转子之间推荐采用一体连接结构。

所述上、下转子推荐采用半球形或圆锥形结构，其外圆弧面与空心金属直管的端面相连接。

所述机械输出杆的材料推荐为铜或铁合金。

所述超声波电机推荐为圆柱状，其直径≤5mm。