專利名稱：薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及其控制方法，屬旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及
其控制方法的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體在超聲頻段產(chǎn)生微幅振 動(dòng)，并通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦將其轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)的回轉(zhuǎn)(直線)運(yùn)動(dòng)的新型電機(jī)。 其中，行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)基本原理是通過激發(fā)圓環(huán)或圓板上彎曲振動(dòng)(或面外振動(dòng))行 波，形成定子表面的橢圓運(yùn)動(dòng)。軌跡橢圓的切向軸的長度除了與法向軸的長度成正比之外， 同時(shí)還與定子的厚度成正比，橢圓的切向軸越長、電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，反之亦然。然而，定子彎曲 振動(dòng)幅值也與厚度有關(guān)定子越厚，振幅越小。因此，通過增加定子厚度來提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的 方法是不可行的。目前，行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)采用定子端面開設(shè)齒槽的結(jié)構(gòu)形式，在一定程 度上能緩和兩方面的矛盾。但同時(shí)帶來了一個(gè)新問題齒槽增加了定子的復(fù)雜性，不利于設(shè) 計(jì)與加工；也不利于微、小型化，應(yīng)用范圍受限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提出一種結(jié)構(gòu)簡單、易于微、小型化、大扭
矩、效率高、響應(yīng)速度快、應(yīng)用范圍更廣的薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及其控制方法。 薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，由軸承、基座、轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子、定子和基座
共軸承設(shè)置，其特征在于還包括橡膠彈簧，所述定子由環(huán)形金屬薄片和環(huán)形壓電陶瓷片共
軸承復(fù)合構(gòu)成，環(huán)形金屬薄片的頂部連接轉(zhuǎn)子，環(huán)形金屬薄片的底部連接環(huán)形壓電陶瓷片
的頂部，環(huán)形壓電陶瓷片的底部與基座相對(duì)設(shè)置，所述環(huán)形壓電陶瓷片的底部均布單向極
化的分區(qū)扇形鍍銀電極；橡膠彈簧穿過環(huán)形壓電陶瓷片壓在環(huán)形金屬薄片和基座之間，所
述橡膠彈簧隔離環(huán)形壓電陶瓷片和軸承、固定定子，同時(shí)提供定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。
所述的薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于所述環(huán)形壓電陶瓷片的扇形
鍍銀電極的分區(qū)數(shù)為4或8或12或16或20或24或28或32。 所述的薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的控制方法，其特征在于經(jīng)扇形鍍銀電極 (8)給端口 (13)輸入驅(qū)動(dòng)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)環(huán)形壓電陶瓷片(2)產(chǎn)生超聲振動(dòng)，所述超聲振動(dòng)激
發(fā)環(huán)形金屬薄片(6)產(chǎn)生一個(gè)面外駐波(9)和一個(gè)面內(nèi)駐波(11);與此同時(shí)，經(jīng)過"f相位
后經(jīng)扇形鍍銀電極(8)給端口 (14)輸入驅(qū)動(dòng)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)環(huán)形壓電陶瓷片(2)產(chǎn)生超聲振 動(dòng)，所述超聲振動(dòng)激發(fā)定子上的環(huán)形金屬薄片(6)產(chǎn)生另一個(gè)面外駐波(10)和另一個(gè)面內(nèi) 駐波(12);兩個(gè)面外駐波合成一個(gè)面外行波，兩個(gè)面內(nèi)駐波合成一個(gè)面內(nèi)行波，在定子上 形成同向行進(jìn)的雙行波，使得定子環(huán)形金屬薄片(6)表面質(zhì)點(diǎn)做橢圓形軌跡的運(yùn)動(dòng)，通過 定子行波波峰處的質(zhì)點(diǎn)與轉(zhuǎn)子(7)接觸區(qū)域的摩擦力推動(dòng)轉(zhuǎn)子(7)轉(zhuǎn)動(dòng)，其中n為大于0 的自然數(shù)。
3型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的雙行波即利用面內(nèi)周向振動(dòng)模態(tài)和面外(彎曲 振動(dòng))模態(tài)的疊加形成的兩個(gè)行波來合成定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，由此橢圓切向軸的長 度由面內(nèi)振動(dòng)的振幅和面外振動(dòng)的橫向效應(yīng)共同確定。該型超聲電機(jī)除具有超聲電機(jī)的一 般特點(diǎn)外，結(jié)構(gòu)更加緊湊，易于微、小型化；可實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由兩路正弦信號(hào)激勵(lì)，驅(qū)動(dòng) 電路簡單；定子的壓電陶具有均勻的電極分區(qū)。


圖1是薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定子結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的工作模態(tài)示意圖。其中圖(a)為定子面外
振動(dòng)模態(tài)B^;圖(b)為定子面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)e12。 圖4是薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)工作模態(tài)的激勵(lì)。是將圖2所示的結(jié)構(gòu)在半 徑r處沿周向張開，將周向坐標(biāo)的原點(diǎn)設(shè)置在一條節(jié)徑上，面內(nèi)振動(dòng)時(shí)，表面質(zhì)點(diǎn)沿周向振 動(dòng)，為便于觀察，將其位移用垂直坐標(biāo)表示如圖(e)、(f)。其中圖(c)為給端口 (13)施加交 變激勵(lì)電壓Esin(o^t)時(shí)，定子產(chǎn)生振動(dòng)，形成駐波^(e ，t) =W sin(2e)sin(c^t);圖 (d)為給端口 (14)施加交變激勵(lì)電壓Ecos(o^t)時(shí)，定子產(chǎn)生振動(dòng)，形成駐波^(e ，t)= W cos (2 9 ) cos (w 。駐波wA ( 9 ， t) = W sin (2 9 ) sin (w 和wB ( 9 ， t) = W cos (2 9 ) cos(o^t)的疊加形成面外行波。圖(e)為給端口 (13)施加交變激勵(lì)電壓Esin(o^t)時(shí)， 定子產(chǎn)生振動(dòng)，形成駐波sA(e ， t) =UcOS(2e)sin("2t);圖(f)為給端口 (14)施加交 變激勵(lì)電壓Ecos(o^t)時(shí)，定子產(chǎn)生振動(dòng)，形成駐波SB(t) =-Usin(2e)C0S("2t)。駐波 SA( e ，t) =Ucos(2 e )sin("2t)和SB(t) =-Usin(2 e )cos("2t)的疊加形成面內(nèi)行波。
其中e為電壓值，"為模態(tài)頻率，t為時(shí)間，e為相位角，w為面外振幅，u為面內(nèi)振幅，h
為中性層距離表面的垂直距離。注圖中均以陶瓷環(huán)4n = 8均勻扇形電極分區(qū)為例說明。 圖1、圖2中標(biāo)號(hào)及符號(hào)名稱1橡膠彈簧，2環(huán)形壓電陶瓷片，3彈簧擋圈，4軸承，
5基座，6環(huán)形金屬薄片，7轉(zhuǎn)子，8扇形鍍銀電極。 圖4中標(biāo)號(hào)名稱13、14定子環(huán)行波驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。
具體實(shí)施例方式
下面以扇形鍍銀電極8的分區(qū)數(shù)為8為例說明薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)工作 原理及具體實(shí)施方式
。 如圖1、圖2所示，本發(fā)明的薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，主要由定子組件、轉(zhuǎn)子 及支架組件構(gòu)成。定子組件采用一個(gè)環(huán)形金屬薄片6和一個(gè)環(huán)形壓電陶瓷片2的復(fù)合結(jié)構(gòu)。 壓電陶瓷環(huán)單向極化，具有八個(gè)均勻分區(qū)的扇形鍍銀電極8 ;轉(zhuǎn)子7和基座5通過軸承4定 位；橡膠彈簧1壓在定子和基座5間，固定定子，同時(shí)提供定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。本發(fā)明的薄 板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，它由轉(zhuǎn)子、基座、軸承、橡膠彈簧、定子構(gòu)成。轉(zhuǎn)子和基座通過 軸承定位，橡膠彈簧壓在定子和基座間，固定定子，同時(shí)提供定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。定子采用 一個(gè)環(huán)形金屬薄片和一個(gè)環(huán)形壓電陶瓷片的復(fù)合結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷環(huán)單向極化，具有均勻分 區(qū)的扇形鍍銀電極。
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如圖3所示，是薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的工作模態(tài)示意圖。其中圖(a)為
定子面外振動(dòng)模態(tài)B^;圖(b)為定子面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)e12。 本發(fā)明控制方法如下環(huán)形壓電陶瓷片2經(jīng)扇形鍍銀電極8給端口 13輸入驅(qū)動(dòng)電 信號(hào)Esin("t)產(chǎn)生超聲振動(dòng)，激發(fā)定子上的環(huán)形金屬薄片6產(chǎn)生一個(gè)面外駐波9和一個(gè) 面內(nèi)駐波11 ;環(huán)形壓電陶瓷片2經(jīng)扇形鍍銀電極8給端口 14輸入驅(qū)動(dòng)電信號(hào)Ecos (" t)產(chǎn) 生超聲振動(dòng)，激發(fā)定子上的環(huán)形金屬薄片6產(chǎn)生一個(gè)面外駐波10和一個(gè)面內(nèi)駐波12 ;兩個(gè) 面外駐波合成一個(gè)面外行波，兩個(gè)面內(nèi)駐波合成一個(gè)面內(nèi)行波，兩個(gè)行波的疊加使定子表 面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓；定子行波波峰處經(jīng)與轉(zhuǎn)子7接觸點(diǎn)附近的摩擦力共同作用于轉(zhuǎn) 子7，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子7轉(zhuǎn)動(dòng)。具體方法如圖4所示 圖(c)所示為給端口 13施加交變激勵(lì)電壓Esin(o^t)時(shí)，定子產(chǎn)生振動(dòng)，形成駐 波wje ，t) =W sin(2e)sin(c^t)， c^為B^模態(tài)的固有頻率。圖(d)為給端口 14施加交 變激勵(lì)電壓Ecos(o^t)時(shí)，定子產(chǎn)生振動(dòng)，形成駐波^(e ，t) =W cos(2e)cos("lt)。同 時(shí)給端口 13和14施加上述激勵(lì)，可得兩個(gè)駐波合成的行波w ( 9 ， t) = W sin (2 e + " lt)。
圖(e)所示為給端口 13施加交變激勵(lì)電壓Esin(o^t)時(shí)，定子產(chǎn)生振動(dòng)，形
成駐波sA(e， t) =u cos(2e)sin("2t)， "2為912模態(tài)的固有頻率。圖(f)為給端
口 14施加交變激勵(lì)電壓Ecos(G^t)時(shí)，定子產(chǎn)生振動(dòng)，形成駐波SB(t) =-Usin(2e) cos("2t)。同時(shí)給端口 (13)和14施加上述激勵(lì)，可得兩個(gè)駐波合成的行波S 2( e ，t)= Ucos(2 9 +w2t)。 當(dāng)兩個(gè)模態(tài)B^和912具有相同的固有頻率(c^ = "2 =")時(shí)，對(duì)端口 (13)和 (14)分別施加激勵(lì)電壓Esin("t)和Ecos("t)，可以同時(shí)激發(fā)定子上的兩個(gè)行波，一個(gè)面 外行波和一個(gè)面內(nèi)行波。表面質(zhì)點(diǎn)沿周向的振動(dòng)為s (e ， t) = s j e ， t) + s2( e ， t) = (u-2hw)cos(2 e +"t) 表面上任意質(zhì)點(diǎn)P的運(yùn)動(dòng)可以表示為
f5p (,) = (f / - 2緣)cos(20p + W)
<{ r r 1 『p(0 =『sin(26>p + O 這是一個(gè)橢圓方程。描述了兩個(gè)行波疊加后，定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。
權(quán)利要求
一種薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，由軸承(4)、基座(5)、轉(zhuǎn)子(7)和定子構(gòu)成，轉(zhuǎn)子(7)、定子和基座(5)共軸承(4)設(shè)置，其特征在于還包括橡膠彈簧(1)，所述定子由環(huán)形金屬薄片(6)和環(huán)形壓電陶瓷片(2)共軸承(4)復(fù)合構(gòu)成，環(huán)形金屬薄片(6)的頂部與轉(zhuǎn)子(7)接觸，環(huán)形金屬薄片(6)的底部固定有環(huán)形壓電陶瓷片(2)，環(huán)形壓電陶瓷片(2)的底部與基座(5)相對(duì)設(shè)置，所述環(huán)形壓電陶瓷片(2)的底部均布單向極化的分區(qū)扇形鍍銀電極(8)；橡膠彈簧(1)穿過環(huán)形壓電陶瓷片(2)壓在環(huán)形金屬薄片(6)和基座(5)之間，所述橡膠彈簧(1)隔離環(huán)形壓電陶瓷片(2)和軸承(4)、固定定子，同時(shí)提供定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)，其特征在于所述環(huán)形壓電 陶瓷片(2)的扇形鍍銀電極(8)的分區(qū)數(shù)為4或8或12或16或20或24或28或32。
3. —種基于權(quán)利要求1所述的薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的控制方法，其特征在 于經(jīng)扇形鍍銀電極(8)給端口 (13)輸入驅(qū)動(dòng)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)環(huán)形壓電陶瓷片(2)產(chǎn)生超聲振 動(dòng)，所述超聲振動(dòng)激發(fā)環(huán)形金屬薄片(6)產(chǎn)生一個(gè)面外駐波(9)和一個(gè)面內(nèi)駐波(11);與此同時(shí)，經(jīng)過"f相位后經(jīng)扇形鍍銀電極(8)給端口 (14)輸入驅(qū)動(dòng)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)環(huán)形壓電陶瓷片(2)產(chǎn)生超聲振動(dòng)，所述超聲振動(dòng)激發(fā)定子上的環(huán)形金屬薄片(6)產(chǎn)生另一個(gè)面外駐 波(10)和另一個(gè)面內(nèi)駐波(12);兩個(gè)面外駐波合成一個(gè)面外行波，兩個(gè)面內(nèi)駐波合成一個(gè) 面內(nèi)行波，在定子上形成同向行進(jìn)的雙行波，使得定子環(huán)形金屬薄片(6)表面質(zhì)點(diǎn)做橢圓 形軌跡的運(yùn)動(dòng)，通過定子行波波峰處的質(zhì)點(diǎn)與轉(zhuǎn)子(7)接觸區(qū)域的摩擦力推動(dòng)轉(zhuǎn)子(7)轉(zhuǎn) 動(dòng)，其中n為大于0的自然數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種薄板式雙行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及其控制方法，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。所述電機(jī)由轉(zhuǎn)子、基座、軸承、橡膠彈簧、定子構(gòu)成。轉(zhuǎn)子和基座通過軸承定位，橡膠彈簧壓在定子和基座間，固定定子，同時(shí)提供定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。定子采用一個(gè)環(huán)形金屬薄片和一個(gè)環(huán)形壓電陶瓷片的復(fù)合結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷環(huán)單向極化，具有均勻分區(qū)的扇形鍍銀電極。本發(fā)明的雙行波薄板式超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)由定子周向振動(dòng)提供的摩擦力驅(qū)動(dòng)，其轉(zhuǎn)速不受定子軸向尺寸的限制，定子端面上無需設(shè)置齒。與傳統(tǒng)行波型超聲電機(jī)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單，加工成本低，易于微、小型化，可應(yīng)用于精密機(jī)械設(shè)備及光學(xué)儀器設(shè)備中。
文檔編號(hào)H02N2/14GK101707445SQ200910212679
公開日2010年5月12日 申請(qǐng)日期2009年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月12日
發(fā)明者泮振鋒, 金家楣, 錢富 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)