[发明专利]一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声电机，具体涉及一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，属于机械电子技术领域。

背景技术

与传统电磁式电机相比，超声电机能直接输出低转速大力矩，且瞬态响应快、定位精度高，功率密度大，无电磁干扰、无需减速机构、无线供能接收端无需整流电路、结构简单、设计形式灵活、易实现微型化等优势，在航空航天，机器人，医疗器械，精密仪器，汽车工业等领域有着广泛的应用前景。

经对现有技术的文献检索发现，目前已有的旋转超声电机采用的压电材料主要是锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O₃,PZT)，存在着机电耦合系数低、驱动电压高、电机厚度尺寸厚的问题。如：徐志科等在《中国电机工程学报》(2005年25卷第18期第131-134页)发表的《基于有限元法的行波型超声波电机阻抗特性分析》，该文研究了应用最广的k₃₁模式行波超声电机，该电机的机电耦合系数仅为0.17～0.20。其不足在于：机电耦合系数低、功率密度低、激励电压(正常工作电场800～1000V_p/mm)高和温升高、电机厚度有近30mm等问题。哈尔滨工业大学陈维山等在《IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control》(2010年57卷第5期第1160-1167页)发表的《A new traveling wave ultrasonic motor using thick ring stator with nested PZT excitation》和刘英想等在《IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control》(2010年57卷第10期第2360–2364页)发表的《A rotary ultrasonic motor using bending vibration transducer》，他们分别设计了PZT叠层环形定子的超声电机和换能器式超声电机。这两种电机实质是k_t厚度模式，不足在于：激励电压高，机电耦合系数低(仅达到0.20～0.23)，电机结构复杂，厚度为40～60mm，体积重量过大且功率密度低，很难做出紧凑的微型电机。

发明内容

本发明针对现有技术的不足以及精密驱动和生物医学工程应用的需要，提出一种压电单晶面切模式径向驱动的超薄大力矩旋转超声电机。本发明利用[011]_c极化压电单晶面切模式具有超大压电系数、高功率密度、高机电耦合系数的优势，通过定子结构设计，在激励频率驱动下，由四个压电单晶面切模式的压电振子在径向方向驱动转子作旋转运动，得到低压高效低热驱动的薄型大力矩超声电机，电机厚度在10mm以下，为现有商用行波电机厚度的1/3，满足适合于精密驱动和生物医学工程的应用场合。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于压电单晶面切模式的旋转超声电机，由定子组件和转子组件构成，定子组件包括至少三个压电单晶面切模式振子、用于支承振子的定子支架、用于支承定子支架的定子底座，振子的形状为方形平板状，振子的上表面和下表面均镀有电极，各个振子的下表面位于同一个平面上，此平面与电机转轴线垂直，各个振子的下表面中点能够连成一个正多边形，电机转轴线通过这个正多边形的中心点。

优选地，振子为四个，四个振子分别位于正方形的四个角处。

优选地，定子组件还包括用于预紧振子的弹性块，弹性快数量与振子数量相同，每个弹性块与每个振子组成一个复合体，复合体内置于定子支架内。

优选地，弹性块均处于压紧状态以产生一定的压力使振子有预压力作用在转子组件上。

优选地，转子组件包括轴承、转子和转子轴，转子轴与轴承的内圈紧配合装配，转子与转子轴为同心紧配合装配结构。

优选地，转子的内圆周面与振子的驱动足紧密接触。

优选地，轴承的外圈同心紧配合装配在定子底座上。

优选地，振子材料为铁电单晶材料。

更优选地，铁电单晶材料为PZN-PT、PMN-PT、PIN-PMN-PT、掺锰PMN-PT或掺锰PIN-PMN-PT铁电单晶材料中的任一种。