專利名稱：駐波變頻步進式超聲電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的駐波變頻步進式超聲電機屬超聲電機領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動的新型動力輸出裝置。其中，駐波變頻步進式超聲電機屬于步進超聲電機的一種。該電機除具有超聲電機的一般特點外，采用開環(huán)控制，無累積誤差，可實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的步進，由兩路相位無關(guān)正弦信號激勵，驅(qū)動電路簡單。目前，開環(huán)控制步進超聲電機采用模態(tài)旋轉(zhuǎn)或自校正機理，其驅(qū)動力由定、轉(zhuǎn)子間正壓力的切向分量提供，轉(zhuǎn)子與定子采用滑動摩擦接觸，通過增加預壓力來增大正壓力可提高驅(qū)動力，但同時增加定、轉(zhuǎn)子間滑動摩擦力，因此力矩很難提高。駐波變頻步進式超聲電機定、轉(zhuǎn)子間無滑動摩擦，電機輸出力矩與壓電陶瓷能量輸入成正比，提高力矩的潛力很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于研制一種結(jié)構(gòu)簡單、大扭矩、效率高、響應速度快、應用范圍更廣的步進式超聲電機。
本發(fā)明的駐波變頻步進式超聲電機，包括定子和轉(zhuǎn)子及壓電陶瓷。其特點是所述定子是上端面帶凸齒、下端面粘貼有均勻分區(qū)軸向極化的壓電陶瓷環(huán)的彈性體；所述轉(zhuǎn)子是下端面帶有均勻分度齒槽的圓環(huán)形轉(zhuǎn)子；圓環(huán)形轉(zhuǎn)子帶齒槽的下端面壓在定子上端面的凸齒上。當壓電陶瓷環(huán)激勵定子一個彎振模態(tài)時，使定子一組凸齒產(chǎn)生斜向運動，作用于轉(zhuǎn)子齒面，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使得轉(zhuǎn)子齒槽位于定子對應于該模態(tài)的驅(qū)動凸齒處時，轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動，電機第一個步距角的運動結(jié)束；切換電源激發(fā)定子另一個振型，該振型使得另一組定子凸齒成為驅(qū)動齒，這組凸齒分別位于轉(zhuǎn)子上幾個相鄰齒槽中間的齒面上，可推動轉(zhuǎn)子進行第二個步距角的運動；如此模態(tài)交替工作實現(xiàn)電機步進；反方向旋轉(zhuǎn)時，只需改變壓電陶瓷分區(qū)的通電區(qū)域使得定子振型旋轉(zhuǎn)一個角度，這將使得對應該模態(tài)的驅(qū)動齒產(chǎn)生反方向的推力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子反方向步進。
該超聲電機可實現(xiàn)開環(huán)控制、無累積誤差、定位準確、力矩大、工作可靠。


圖1.是駐波變頻步進式超聲電機結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標號名稱1.轉(zhuǎn)子；2.定子；3.壓電陶瓷環(huán)圖2.是轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)時電機的狀態(tài)示意圖，該圖為電機周向展開圖。
其中圖2(a)為初始狀態(tài)，圖2(b)為B03模態(tài)上半周期的狀態(tài)，圖2(c)為B03模態(tài)下半周期，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，圖2(d)為B03定子驅(qū)動齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)的狀態(tài)，圖2(e)為定子回復初始狀態(tài)，圖2(f)為B06模態(tài)上半周期的狀態(tài)，圖2(g)為B06模態(tài)下半周期，轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，圖2(h)為B06定子驅(qū)動齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)的狀態(tài)，圖2(i)為定子回復初始狀態(tài)。
圖3.是轉(zhuǎn)子順時針旋轉(zhuǎn)時電機的狀態(tài)示意圖，該圖為電機周向展開圖。
其中圖3(a)為初始狀態(tài)，圖3(b)為B03模態(tài)上半周期的狀態(tài)，圖3(c)為B03模態(tài)下半周期，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，圖3(d)為B03定子驅(qū)動齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)的狀態(tài)，圖3(e)為定子回復初始狀態(tài)，圖3(f)為B06模態(tài)上半周期的狀態(tài)，圖3(g)為B06模態(tài)下半周期，轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動的狀態(tài)，圖3(h)為B06定子驅(qū)動齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)的狀態(tài)，圖3(i)為定子回復初始狀態(tài)。
具體實施例方式駐波變頻步進式超聲電機如圖1.所示。其特點定子2由上端面帶凸齒、下端面粘貼有均勻分區(qū)軸向極化壓電陶瓷環(huán)3的彈性體組成；下端面帶有均勻分度齒槽的圓環(huán)形轉(zhuǎn)子1壓在定子2凸齒上；由壓電陶瓷環(huán)激發(fā)定子彈性體的彎振，由幾個定子凸齒的斜向運動作用在轉(zhuǎn)子齒面上，產(chǎn)生圓周方向推力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動；當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子齒的半個齒距時，定子對應這個振型的這幾個驅(qū)動齒均分別位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不能被驅(qū)動，轉(zhuǎn)子第一個步距運動結(jié)束；當切換電源激發(fā)定子另一個振型，該振型對應的幾個驅(qū)動齒分別位于轉(zhuǎn)子齒槽中間，可推動轉(zhuǎn)子進行第二步距的運動；如此模態(tài)交替工作實現(xiàn)電機步進；當反向旋轉(zhuǎn)時，只需改變壓電陶瓷分區(qū)的通電區(qū)域使得振型旋轉(zhuǎn)一個角度，對應該振型的驅(qū)動齒產(chǎn)生反方向的推力，驅(qū)動轉(zhuǎn)子反方向步進；電源采用兩路正弦信號，用于激發(fā)定子的兩個工作模態(tài)，切換時間足以保證轉(zhuǎn)子的下一個齒槽轉(zhuǎn)到驅(qū)動齒處；步距角是轉(zhuǎn)子相鄰齒槽間夾角的一半。
結(jié)構(gòu)設計原則1、由壓電陶瓷片的逆壓電效應激發(fā)出定子環(huán)的兩個彎振模態(tài)，這兩個模態(tài)階數(shù)呈2倍關(guān)系。如2階與4階彎振；3階與6階彎振等。2、定子上端面的凸齒3個一組，組數(shù)與采用的工作模態(tài)中低階的模態(tài)階數(shù)一致。如采用3階與6階彎振，則組數(shù)為3，合計9個齒。3、每組定子凸齒中相鄰齒間夾角為低階模態(tài)振型周期對應夾角的3/16倍。如采用3階與6階彎振，則組中相鄰凸齒夾角為22.5°。4、各組定子凸齒在定子圓周上均勻分布。5、轉(zhuǎn)子下端面的齒槽數(shù)為定子上端面的凸齒組數(shù)的倍數(shù)，同時滿足下面關(guān)系定子凸齒組中相鄰凸齒夾角除以轉(zhuǎn)子相鄰齒槽夾角的余數(shù)為轉(zhuǎn)子相鄰齒槽夾角的1/2，以保證電機相鄰步距一致。若齒數(shù)的設計不能滿足這個條件，則可通過改變定子凸齒寬度來微調(diào)。6、環(huán)形壓電陶瓷片沿定子下端面周向均勻分區(qū)，分區(qū)數(shù)除應可靠激發(fā)定子兩個彎振外，還能使低階彎振振型繞電機軸旋轉(zhuǎn)定子凸齒組中相鄰凸齒夾角的2倍。如采用3階與6階彎振，則最小分區(qū)數(shù)為24。
下面是一個駐波變頻步進式超聲電機例子利用壓電陶瓷片的逆壓電效應d31激發(fā)出定子環(huán)的三階彎振(B03)、六階彎振(B06)。它主要由定子組件、轉(zhuǎn)子組件及機座組成。圖1是該電機的結(jié)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)子下端面帶有144個均勻分度齒槽，用于電機步進定位；定子下端面粘貼周向均勻24分區(qū)軸向單向極化壓電陶瓷環(huán)，用于激勵定子B03、B06模態(tài)；定子上端面帶有9個凸起齒，用于推動轉(zhuǎn)子運動，并與轉(zhuǎn)子齒槽配合實現(xiàn)電機步進定位。
電機運動分析見圖2、圖3，該圖由電機外圓柱面周向展開。轉(zhuǎn)子步進由定子B03和B06模態(tài)的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)，B03模態(tài)時，由每組定子齒的一個齒(圖示中右端的齒)工作，驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
逆時針運動分析見圖2.初始狀態(tài)見圖2.(a)，定子凸齒與轉(zhuǎn)子齒相接觸，壓電陶瓷環(huán)分區(qū)如圖接線；將與定子B03共振頻率一致的正弦信號E給壓電陶瓷供電，激勵定子振動；定子振動周期上半周定子齒對轉(zhuǎn)子作用力無切向分量(見圖2(b))，不能驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；定子振動周期下半周定子齒對轉(zhuǎn)子作用力有切向分量(見圖2(c))，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動使得定子驅(qū)動齒(圖中每組齒右邊的齒)位于轉(zhuǎn)子齒槽處(見圖2(d))，轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動，電機第1步運動結(jié)束。切換電源，用與定子B06模態(tài)相對應頻率的正弦信號按圖2.(e)給壓電陶瓷環(huán)供電，激勵定子B06模態(tài)；與上述B03模態(tài)情形相似，可由B06工作使得轉(zhuǎn)子運行第2步(圖2.(f)、(g)、(h))后，定子回復初始狀態(tài)(圖2(i))。如此B03、B06兩個模態(tài)交替工作可實現(xiàn)電機步進，工作模態(tài)間的切換時間由實驗測定，使得轉(zhuǎn)子齒槽運動到定子對應模態(tài)下的驅(qū)動齒處。
順時針運動分析見圖3改變壓電陶瓷的通電分區(qū)(見圖3.(a))，使振型順時針旋轉(zhuǎn)45°，與上述逆時針步進同理，可實現(xiàn)電機順時針步進。
該步進超聲電機可實現(xiàn)最小步距1.25度，更小的步距角可通過增加轉(zhuǎn)子上的齒槽數(shù)來實現(xiàn)，如采用轉(zhuǎn)子齒數(shù)288時，步距角為0.75度。
權(quán)利要求
1.一種駐波變頻步進式超聲電機，包括定子、轉(zhuǎn)子和壓電陶瓷，其特征在于，所述定子(2)上端面帶凸齒、下端面粘貼有均勻分區(qū)軸向極化的壓電陶瓷環(huán)(3)；所述轉(zhuǎn)子(1)是下端面帶有均勻分度齒槽的圓環(huán)形轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子帶齒槽的下端面壓在定子上端面的凸齒上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的駐波變頻步進式超聲電機，其特征在于，定子(2)上端面的凸齒3個為一組，組數(shù)與采用的工作模態(tài)中低階的模態(tài)階數(shù)一致，各組定子凸齒在定子圓周上均勻分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的駐波變頻步進式超聲電機，其特征在于，轉(zhuǎn)子(1)下端面齒槽數(shù)為定子(2)上端面凸齒數(shù)的倍數(shù)，并滿足定子上端面凸齒組中相鄰凸齒夾角除以轉(zhuǎn)子下端面相鄰齒槽夾角的余數(shù)為轉(zhuǎn)子下端面相鄰齒槽夾角的1/2，以保證超聲電機相鄰步距一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的駐波變頻步進式超聲電機，其特征在于，壓電陶瓷環(huán)(3)沿定子下端面周向均勻分區(qū)，分區(qū)數(shù)除應可靠激發(fā)定子2個彎振外，還能使低階彎振振型繞電機軸旋轉(zhuǎn)定子凸齒組中相鄰凸齒夾角的2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的駐波變頻步進式超聲電機，其特征在于，壓電陶瓷環(huán)(3)沿定子下端面周向均勻分區(qū)，分區(qū)數(shù)除應可靠激發(fā)定子2個彎振外，還能使低階彎振振型繞電機軸旋轉(zhuǎn)定子凸齒組中相鄰凸齒夾角的2倍。
全文摘要
一種駐波變頻步進式超聲電機，屬超聲電機類。其主要構(gòu)成有三部分定子、轉(zhuǎn)子及壓電陶瓷。所述定子(2)上端面帶凸齒、下端面粘貼壓電陶瓷環(huán)(3)，所述轉(zhuǎn)子(1)下端面帶均勻分度齒槽；圓環(huán)形轉(zhuǎn)子帶齒槽的端面壓在定子上端面的凸齒上。由壓電陶瓷環(huán)激發(fā)定子的彎振，幾個定子凸齒的斜向運動作用在轉(zhuǎn)子上，驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動；當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子齒的半個齒距時，定子對應這個振型的驅(qū)動齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不能被驅(qū)動，轉(zhuǎn)子第一個步距運動結(jié)束；切換電源激發(fā)定子另一個振型，該振型對應的驅(qū)動齒位于轉(zhuǎn)子齒槽中間，可推動轉(zhuǎn)子進行第二步距的運動；如此模態(tài)交替工作實現(xiàn)電機步進。該電機除具有超聲電機的一般特點外，采用開環(huán)控制，無累積誤差，可實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的步進，由兩路相位無關(guān)正弦信號激勵，驅(qū)動電路簡單。
文檔編號H02N2/00GK1688097SQ20051003892
公開日2005年10月26日 申請日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日
發(fā)明者趙淳生, 金家楣 申請人:南京航空航天大學