專利名稱：微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)及其電激勵(lì)方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)屬微電機(jī)領(lǐng)域中的超聲電機(jī)。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型微電機(jī)。其中旋轉(zhuǎn)型行 波超聲電機(jī)屬于行波型超聲電機(jī)的一種。由于尺寸較小時(shí)超聲電機(jī)比傳統(tǒng)電機(jī)更具有獨(dú)特 的優(yōu)勢(shì)，例如轉(zhuǎn)矩/重量比更大(是傳統(tǒng)電機(jī)的3 10倍)，可自鎖，效率更高以及速度和位 置控制性好等，因此旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)的微型化是發(fā)展的趨勢(shì)，特別是在隨著微操作系 統(tǒng).管道微機(jī)器人技術(shù).微光學(xué)系統(tǒng)等領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用前景?，F(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)型行波電機(jī) 由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案所限，體積較大且不易微型化，安裝固定不方便，大大限制了這種電機(jī)的 應(yīng)用范圍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于研制一種結(jié)構(gòu)緊湊，體積更微小，易于加工.裝配和使用，效 率更高，應(yīng)用范圍更廣的微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)。一種微型旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)，其特征在于包括輸出軸.由上而下依次裝配于輸 出軸上的轉(zhuǎn)子.上軸承.預(yù)壓力彈簧.下軸承.軸套和調(diào)節(jié)螺母；還包括位于上軸承一 端的套筒和位于下軸承一端的底座，上述套筒和底座固連在一起；上述套筒外側(cè)安裝有定 子，定子齒位于定子基體的上端面，壓電陶瓷粘貼于定子基體的下端面，定子齒采用了沿徑 向剖面為等腰梯形的六面體拓補(bǔ)形狀；上述定子基體通過內(nèi)圓柱套與套筒固定，內(nèi)圓柱套 與定子基體以及套筒均為過盈配合；上述上軸承安放在套筒內(nèi)，下軸承安放在底座內(nèi)，預(yù)壓 力彈簧安裝在上軸承和下軸承之間，通過輸出軸末端的軸套和調(diào)節(jié)螺母對(duì)下軸承定位；并 且轉(zhuǎn)子的末端開設(shè)有螺紋，通過調(diào)節(jié)螺母可推動(dòng)軸套來對(duì)下軸承進(jìn)行沿軸向的上下定位， 可改變上軸承對(duì)下軸承之間的彈簧的壓縮量，從而可調(diào)節(jié)定子齒和轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力。上述微型旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的電激勵(lì)方式，其特征在于上述定子基體下表 面粘貼的壓電陶瓷按兩組極化，分成A組極化區(qū)和B組極化區(qū)，上述每組極化區(qū)又分 別包括一個(gè)正向極化區(qū)和一個(gè)負(fù)向極化區(qū)；在A組極化區(qū)和B組極化區(qū)之間留有 Λ/4空間和3Λ/4空間，其中ΛΜ空間為未極化區(qū)，3Λ/4空間的中間;i/4區(qū)域?yàn)闃O化區(qū)稱 為孤極反饋區(qū)，剩余區(qū)域?yàn)槲礃O化區(qū)；在A組極化區(qū)和B組極化區(qū)上施加相位差為90度的 正弦交流電壓，激發(fā)出適合微小超聲電機(jī)定子的3個(gè)波長(zhǎng)的行波。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，定子內(nèi)徑處為設(shè)計(jì)成一體的內(nèi)圓柱套，不必專門開設(shè)固 定用的螺孔，同時(shí)底座與套筒設(shè)計(jì)為一體，通過與定子圓柱套的過盈配合來實(shí)現(xiàn)定子的內(nèi) 徑固定約束，這樣的固定和夾持方法可為定子沿徑向節(jié)約和留出空間，以保證工作時(shí)定子 能產(chǎn)生可觀的振幅，并且整個(gè)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單.緊湊.利于小型化(該方案可用于設(shè)計(jì)直徑小于20mm，甚至IOmm以下的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī))。此外，加工和裝配都易于實(shí)現(xiàn)較高的精度， 通過調(diào)節(jié)螺母可推動(dòng)軸套來改變上軸承對(duì)下軸承之間的彈簧的壓縮量，更為方便的調(diào)節(jié)預(yù) 壓力，特別適合于不易反復(fù)拆卸和裝配精密機(jī)械的驅(qū)動(dòng)裝置。


圖1是微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是定子沿徑向的剖面圖3是定子振動(dòng)時(shí)，與轉(zhuǎn)子接觸的齒表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分量示意； 圖4是定子上所粘貼陶瓷的極化方式；
圖5是是電機(jī)定子有限元模型及工作模態(tài)示意圖。其中圖5 (a)的A相工作模態(tài)；圖 5 (b)為B相工作模態(tài)；
圖中的標(biāo)號(hào)名稱1.轉(zhuǎn)子，2.定子齒，3.定子基體，4.壓電陶瓷，5.內(nèi)圓柱套，6.底座， 7.下軸承，8.軸套，9.調(diào)節(jié)螺母，10.輸出軸，11.預(yù)壓力彈簧，12.上軸承，13.套筒。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明是基于利用壓電陶瓷片的壓電效應(yīng)激出內(nèi)徑固支定子的彎曲振動(dòng)模態(tài)而 研制成的新型微小旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)。圖1是本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)示意圖，由圖1可知，本超 聲電機(jī)在定子在內(nèi)徑處設(shè)計(jì)了一體的內(nèi)圓柱套5，底座6上也設(shè)計(jì)有一體的套筒13，通過內(nèi) 圓柱套5和套筒12的過盈緊配合來實(shí)現(xiàn)定子內(nèi)徑的支撐和固定。這種夾持方法避免了在內(nèi) 圈用螺釘固定的方式，為定子沿徑向節(jié)約和留出空間，以保證工作時(shí)定子能產(chǎn)生可觀的振 幅，同時(shí)減少了零件，結(jié)構(gòu)也得到了簡(jiǎn)化，使得整個(gè)電機(jī)更易微型化。定子基體下粘貼有壓 電陶瓷4，頂端為齒狀結(jié)構(gòu)，而且定子齒2采用了一種沿徑向剖面為等腰梯形的雙倒角拓補(bǔ) 形狀(參見圖2定子的沿徑向剖面圖)。這種設(shè)計(jì)思路的提出是基于如下原因?qū)τ诒拘D(zhuǎn) 型行波超聲電機(jī)而言，圓環(huán)形板狀定子在振動(dòng)時(shí)其齒頂端質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間三維的。 如圖3所示，柱坐標(biāo)系的徑向(r).周向(〃)和軸向OO分別軸上均有位移分量，即￥θ 和&。其中，定子齒表面質(zhì)點(diǎn)的 和&運(yùn)動(dòng)分量是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的必要條件之一，是有效 的運(yùn)動(dòng)分量；然而，沿徑向的分量&會(huì)引起定.轉(zhuǎn)子在接觸界面上的徑向滑移，導(dǎo)致系統(tǒng)能 量的耗散。特別是對(duì)于尺寸很小的微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)，&所引起的能量損耗比例很 可觀，將會(huì)大大降低輸出效率，電機(jī)很容易發(fā)熱。將定子齒設(shè)計(jì)為如圖2中的沿徑向剖面為 等腰梯形的雙倒角拓補(bǔ)形狀，可使定子結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生改變。此時(shí)，定子受到激勵(lì)產(chǎn)生強(qiáng)迫振 動(dòng)后，通過上述定子剛度的合理設(shè)計(jì)使得表面質(zhì)點(diǎn)的位移響應(yīng)也發(fā)生改變，即可使得Ur相 對(duì)^和&運(yùn)動(dòng)分量小得多，從而保證了微小電機(jī)的輸出性能在可使用范圍。此外，底座套 筒13內(nèi)部沿軸向分別安裝有上軸承12和下軸承7，預(yù)壓力彈簧11在上.下軸承之間被壓 緊，提供定.轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力。轉(zhuǎn)子1與輸出軸10以過盈緊配合的方式固連在一起，由 上.下軸承定位。在輸出軸10的末端開設(shè)有螺紋，通過旋轉(zhuǎn)螺母9來推動(dòng)軸套10和下軸 承7，可改變彈簧11的壓縮量，從而方便調(diào)節(jié)微小尺寸的定子和轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力。對(duì)于微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)而言，定子彎曲模態(tài)頻率很高。為便于配置較高效 率的驅(qū)動(dòng)電源和激勵(lì)方式，本發(fā)明中電機(jī)所選用的工作模態(tài)為定子的3波長(zhǎng)彎曲模態(tài)。圖4 為電機(jī)定子使用的壓電陶瓷，可分為A. B兩相二組大的分區(qū)(在空間相位上正交)，其中每相均為多分區(qū)形式。在A.B兩相極化了的壓電陶瓷間留有Λ/4和M/4的空間。在A.B兩相 之間3Λ/4區(qū)域中的Λ/4孤極雖然極化，但不是用來激勵(lì)定子的，其上不施加交變電壓。當(dāng) 其隨定子振動(dòng)時(shí)由于逆壓電效應(yīng)在孤極上會(huì)產(chǎn)生交變電壓，通過該電壓可判斷超聲電機(jī)的 工作狀態(tài)，因此該電壓可供驅(qū)動(dòng)和控制電路用作反饋信號(hào)，通常稱之為孤極反饋。
極化后的壓電陶瓷片受電場(chǎng)作用會(huì)產(chǎn)生變形，極化方向與電場(chǎng)方向相同的分區(qū)產(chǎn) 生伸長(zhǎng)變形，極化方向與電場(chǎng)方向相反的分區(qū)產(chǎn)生壓縮變形。由于壓電陶瓷與粘貼在定子 底面，因此，當(dāng)對(duì)圖4中壓電陶瓷片的A組或B組施加交變電場(chǎng)時(shí)，就可使定子產(chǎn)生橫向彎 曲振動(dòng)。即，當(dāng)對(duì)A組通以Usm (其中U為電壓幅值，信號(hào)頻率等于定子工作模態(tài)頻率) 交變電壓時(shí)，定子將被激發(fā)出彎曲共振，如附圖5(a)的A相工作模態(tài)所示；當(dāng)B組通以和A 相同頻.同幅的cosffli交變電壓時(shí)，定子產(chǎn)生另一彎曲共振，如附圖5 (b)的B相工作模態(tài) 所示(與A相空間正交)。如果將這兩相電壓信號(hào)同時(shí)分別加到圖4中的A組和B組，那么， 這兩個(gè)相互正交的彎曲振動(dòng)的合成，定子就呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)，定子上端面形成行波，從而 使定子上端面上任一質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生有效橢圓運(yùn)動(dòng)(由圖3中的 和&組成)。正是這個(gè)橢圓運(yùn) 動(dòng)，加上定.轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力，使定.轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生摩擦力，推動(dòng)轉(zhuǎn)子沿定子端面行波方向相 反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)，附圖4中電陶瓷片的孤極作為反饋相，它是利用壓電陶瓷片的正壓電 效應(yīng)，產(chǎn)生交變電壓，用以作為反饋電壓對(duì)電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)頻率跟蹤，從而保證電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn) 定。
權(quán)利要求
一種微型旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)，其特征在于包括輸出軸(10).由上而下依次裝配于輸出軸(10)上的轉(zhuǎn)子(1).上軸承(12).預(yù)壓力彈簧(11).下軸承(7).軸套(8)和調(diào)節(jié)螺母(9)； 還包括位于上軸承(12)一端的套筒(13)和位于下軸承(7)一端的底座(6)，上述套筒(13)和底座(6)固連在一起；上述套筒(13)外側(cè)安裝有定子，定子齒(2)位于定子基體(3)的上端面，壓電陶瓷(4)粘貼于定子基體(3)的下端面，定子齒(2)采用了沿徑向剖面為等腰梯形的六面體拓補(bǔ)形狀；上述定子基體(3)通過內(nèi)圓柱套(5)與套筒(13)固定，內(nèi)圓柱套(5)與定子基體(3)以及套筒均為過盈配合；上述上軸承(12)安放在套筒(13)內(nèi)，下軸承(6)安放在底座(6)內(nèi)，預(yù)壓力彈簧(11)安裝在上軸承(12)和下軸承(7)之間，通過輸出軸(10)末端的軸套(8)和調(diào)節(jié)螺母(9)對(duì)下軸承(7)定位；并且轉(zhuǎn)子(1)的末端開設(shè)有螺紋，通過調(diào)節(jié)螺母可推動(dòng)軸套(8)來對(duì)下軸承(7)進(jìn)行沿軸向的上下定位，可改變上軸承(12)對(duì)下軸承(7)之間的彈簧的壓縮量，從而可調(diào)節(jié)定子齒(2)和轉(zhuǎn)子(1)之間的預(yù)壓力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的電激勵(lì)方式，其特征在于 上述定子基體(3)下表面粘貼的壓電陶瓷(4)按兩組極化，分成A組極化區(qū)和B組極化區(qū)，上述每組極化區(qū)又分別包括一個(gè)正向極化區(qū)和一個(gè)負(fù)向極化區(qū)；在A組極化區(qū)和B組極化區(qū)之間留有4空間和3；! /4空間，其中;1/ 4空間為未極化區(qū)， 3Λ/4空間的中間Λ/4區(qū)域?yàn)闃O化區(qū)稱為孤極反饋區(qū)，剩余區(qū)域?yàn)槲礃O化區(qū)；在A組極化區(qū)和B組極化區(qū)上施加相位差為90度的正弦交流電壓，激發(fā)出適合微小超 聲電機(jī)定子的3個(gè)波長(zhǎng)的行波。
全文摘要
一種微小旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)，屬于微電機(jī)領(lǐng)域。其組成包括定子、轉(zhuǎn)子、輸出軸、底座(含套筒)；通過內(nèi)圓柱套(5)和套筒(13)的過盈配合來固定定子；定子基體(3)下粘貼有壓電陶瓷，齒(2)采用了徑向剖面為等腰梯形的六面體拓補(bǔ)形狀；轉(zhuǎn)子(1)與輸出軸(10)之間為過盈配合，由上軸承(12)和下軸承(7)定位；旋動(dòng)螺母(9)可推動(dòng)軸套(8)和下軸承(7)，改變彈簧(11)的壓縮量，調(diào)節(jié)定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。當(dāng)壓電陶瓷上施加特定交流電壓時(shí)，齒(2)的上表面質(zhì)點(diǎn)形成橢圓運(yùn)動(dòng)。由于定、轉(zhuǎn)子之間存在預(yù)壓力，產(chǎn)生的摩擦力將推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。該超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊和簡(jiǎn)單、易微型化、成本低、方便調(diào)節(jié)預(yù)壓力等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02N2/14GK101980438SQ20101051020
公開日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者陳如娟, 陳超 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué);江蘇春生超聲電機(jī)有限公司