專利名稱：無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機及工作模態(tài)和電激勵方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機及工作模態(tài)和電激勵方式，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(yīng)和超聲振動的新型動力輸出裝置。其中，無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機屬于超聲電機的一種。目前，旋轉(zhuǎn)超聲電機可分為駐波型和行波型駐波型以單相電源激勵和定、轉(zhuǎn)子間歇接觸為主要特征；行波型以2相電源激勵和定、轉(zhuǎn)子間不間斷接觸為主要特征。比較而言，行波型力矩潛力較大、性能相對較穩(wěn)定。但是，現(xiàn)有行波型旋轉(zhuǎn)電機多采用圓形板或環(huán)行板上2個正交的同頻同形彎曲振動模態(tài)作為工作模態(tài)，其用于驅(qū)動轉(zhuǎn)子的表面質(zhì)點的周向位移來源于定子中性層的彎曲行波在偏離中性層的表面上的周向變形。這個變形隨表面偏離中性層的距離的增大而增大，由于太厚的板會導(dǎo)致彎曲振動頻率增高，振幅降低。通常情況下圓板或環(huán)行板上設(shè)置有均布的齒，以滿足表面質(zhì)點一定的周向位移的同時盡可能不減小彎振振幅，當(dāng)然這就使得行波型超聲電機的連續(xù)接觸的優(yōu)點遭到一定程度的破壞。同時，在圓形或環(huán)形板上設(shè)置齒也增加了機械加工的成本。

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、大力矩、效率高、響應(yīng)速度快、應(yīng)用范圍更廣的旋轉(zhuǎn)運動超聲電機。
本發(fā)明的無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機。包括定子、轉(zhuǎn)子和壓電陶瓷。其特點是所述定子為環(huán)形夾心式結(jié)構(gòu)兩片壓電陶瓷被夾持在兩個環(huán)行定子之間，電極片夾持在兩片壓電陶瓷之間；所述轉(zhuǎn)子由環(huán)形轉(zhuǎn)子I和環(huán)形轉(zhuǎn)子II所組成，其中，轉(zhuǎn)子I上的連接機構(gòu)裝入環(huán)形定子內(nèi)腔中，其工作面壓在定子的一個端面上，轉(zhuǎn)子II通過螺紋與轉(zhuǎn)子I的連接機構(gòu)相連，其工作面壓在定子的另一個端面上。通過螺紋的緊固使轉(zhuǎn)子I和轉(zhuǎn)子II上連接工作面的腹板產(chǎn)生彈性變形，提供定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機的工作模態(tài)的特點采用定子2個同頻同形面內(nèi)振動模態(tài)作為工作模態(tài)，在工作模態(tài)下由于泊松效應(yīng)，定子產(chǎn)生軸向變形，為定子兩個端面上的質(zhì)點提供軸向位移。無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機的電激勵方式的特點用相位差為π/2或-π/2的兩個正弦信號經(jīng)壓電陶瓷同時激勵定子在空間上相差π/2的同形面內(nèi)振動模態(tài)，使定子端面上產(chǎn)生行波的同時，其與轉(zhuǎn)子工作面相接觸的表面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動，經(jīng)摩擦推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明的無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機表面質(zhì)點的周向位移來源于其在周向的面內(nèi)振動，不需要在端面上設(shè)置齒來放大周向振幅，2個同頻同形面內(nèi)振動模態(tài)作為工作模態(tài)，用2個在時間上具有π/2相位差的正弦信號激勵，可產(chǎn)生2個端面上表面質(zhì)點的橢圓運動，推動壓在其上的轉(zhuǎn)子沿周向轉(zhuǎn)動。這樣構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)超聲電機結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、力矩大、轉(zhuǎn)速大、機械加工成本較低，具有更廣闊的應(yīng)用前景。
四

圖1.無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號名稱1、轉(zhuǎn)子I；2、環(huán)形定子I；3、壓電陶瓷；4、環(huán)形定子II；5、轉(zhuǎn)子II；6、電極片。
圖2.定子面內(nèi)振動模態(tài)。
圖中標(biāo)號名稱7、9、面內(nèi)振動時定子端面無周向位移的直徑；8、定子振動時定子端面質(zhì)點周向位移方向。
圖3.定子面內(nèi)振動模態(tài)下定子軸向泊松效應(yīng)。
圖中標(biāo)號名稱10、與圖2所示的直徑7相交的定子外圓柱面上的一條母線；11、與圖2所示的直徑9相交的定子外圓柱面上的一條母線。
圖4.壓電陶瓷電極分區(qū)示意圖。
圖中標(biāo)號名稱12、13、用于激發(fā)定子面內(nèi)振動模態(tài)I的驅(qū)動信號輸入端；14、15、用于激發(fā)定子面內(nèi)振動模態(tài)II的驅(qū)動信號輸入端。
圖5.模態(tài)I與模態(tài)II相差π/2時定子端面行波運動方向及端面質(zhì)點運動軌跡。
圖中標(biāo)號名稱16、定子端面行波運動方向；17、定子端面質(zhì)點運動軌跡。
圖6.模態(tài)I與模態(tài)II相差-π/2時定子端面行波運動方向及端面質(zhì)點運動軌跡。
圖中標(biāo)號名稱16、定子端面行波運動方向；17、定子端面質(zhì)點運動軌跡。
五具體實施例方式一種利用環(huán)行定子面內(nèi)振動和由此產(chǎn)生的泊松效應(yīng)而使得定子端面質(zhì)點進行橢圓運動經(jīng)摩擦推動壓在其上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機如圖1所示。其特點定子是由2個環(huán)形定子2、4夾持2片8分區(qū)壓電陶瓷3構(gòu)成，2片壓電陶瓷中間有電極片6；轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子I和轉(zhuǎn)子II所組成，其中，轉(zhuǎn)子I上的連接機構(gòu)穿過環(huán)形定子內(nèi)腔，其工作面壓在定子的一個端面上，轉(zhuǎn)子II通過螺紋與轉(zhuǎn)子I的連接機構(gòu)相連，其工作面壓在定子的另一個端面上。通過螺紋的緊固使轉(zhuǎn)子I和轉(zhuǎn)子II上連接工作面的腹板產(chǎn)生彈性變形，提供定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。電極片6用于輸入驅(qū)動信號激發(fā)定子的2個同形面內(nèi)振動模態(tài)，形成定子端面的行波，使定子端面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動，推動轉(zhuǎn)子1、5運動。
如圖4所示，在激發(fā)定子面內(nèi)振動模態(tài)的驅(qū)動信號輸入端12、13上分別施加電信號E1＝Vsin(ωt)和E2＝-Vsin(ωt)，可激發(fā)如圖2所示的定子面內(nèi)振動，同時由于泊松效應(yīng)在定子軸向產(chǎn)生如圖3所示的變形，形成振動模態(tài)I；在壓電陶瓷14、15上分別施加電信號E3＝Vsin(ωt+π/2)和E4＝-Vsin(ωt+π/2)，可激發(fā)定子與圖2所示的同形面內(nèi)振動模態(tài)，同時使定子軸向產(chǎn)生與圖3所示同形的變形，形成振動模態(tài)II。當(dāng)4個信號(E1、E2、E3、E4)同時施加時，可形成如圖5所示的振動模態(tài)I振動模態(tài)II的疊加，使定子端面上形成沿方向16行進的行波，同時使定子端面上的質(zhì)點在定子周向和軸向的運動分量合成為橢圓運動17，端面質(zhì)點的橢圓運動經(jīng)摩擦推動壓在其上的轉(zhuǎn)子I和轉(zhuǎn)子II轉(zhuǎn)動。
同理，在圖4所示的用于激發(fā)定子面內(nèi)振動模態(tài)的驅(qū)動信號輸入端12、13上分別施加電信號E1＝Vsin(ωt)和E2＝-Vsin(ωt)，可激發(fā)如圖2所示的定子面內(nèi)振動，同時由于泊松效應(yīng)在定子軸向產(chǎn)生如圖3所示的變形，形成振動模態(tài)I；在壓電陶瓷14、15上分別施加電信號E3＝Vsin(ωt-π/2)和E4＝-Vsin(ωt-π/2)，可激發(fā)定子與圖2所示的同形面內(nèi)振動，同時使定子軸向產(chǎn)生與圖3所示同形的變形，形成振動模態(tài)II。當(dāng)4個信號(E1、E2、E3、E4)同時施加時，可形成如圖6所示的振動模態(tài)I振動模態(tài)II的疊加，使定子端面上形成沿方向16行進的行波，同時使定子端面上的質(zhì)點在定子周向和軸向的運動分量合成為橢圓運動17，端面質(zhì)點的橢圓運動經(jīng)摩擦推動壓在其上的轉(zhuǎn)子I和轉(zhuǎn)子II轉(zhuǎn)動。
該超聲電機結(jié)構(gòu)緊湊，有利于小型化；利用面內(nèi)振動時端面質(zhì)點的周向運動驅(qū)動轉(zhuǎn)子，無需在定子上加工齒，加工成本低，有利于產(chǎn)業(yè)化；采用定子雙端面驅(qū)動，力矩大；定、轉(zhuǎn)子連續(xù)接觸，驅(qū)動效率高、工作可靠。
結(jié)構(gòu)設(shè)計原則1.定子設(shè)計時應(yīng)避開其彎振模態(tài)或其它模態(tài)，2個定子環(huán)2、4使用相同材質(zhì)、相同尺寸，使壓電陶瓷有效激發(fā)定子面內(nèi)振動模態(tài)。
2.2個分區(qū)數(shù)相同的壓電陶瓷環(huán)3單向激化、分區(qū)相對反向安裝，共用電極片6。定子、壓電陶瓷和電極片用高強度粘貼劑固定在一起。
3.2個轉(zhuǎn)子1、5與定子端面的接觸面采用相同尺寸和相同表面性質(zhì)，使定子端面質(zhì)點對其作用一致。
權(quán)利要求
1.一種無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機，包括定子、轉(zhuǎn)子和壓電陶瓷，其特征在于，所述定子為環(huán)形夾心式結(jié)構(gòu)兩片壓電陶瓷被夾持在兩個環(huán)形定子之間，電極片夾持在兩片壓電陶瓷之間；所述轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子I和轉(zhuǎn)子II所組成，其中，轉(zhuǎn)子I上的連接機構(gòu)穿過環(huán)形定子內(nèi)腔，其工作面壓在定子的一個端面上，轉(zhuǎn)子II通過螺紋與環(huán)形轉(zhuǎn)子I的連接機構(gòu)相連，其工作面壓在定子的另一個端面上，通過螺紋的緊固使轉(zhuǎn)子I和轉(zhuǎn)子II上連接工作面的腹板產(chǎn)生彈性變形，提供定子與轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。
2.一種如權(quán)利要求1所述的無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機的工作模態(tài)，其特征在于，采用定子2個同頻同形面內(nèi)振動模態(tài)作為工作模態(tài)；在工作模態(tài)下由于泊松效應(yīng)，定子產(chǎn)生軸向變形，為定子兩個端面上的質(zhì)點提供軸向位移。
3.一種如權(quán)利要求1所述的無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機的電激勵方式，其特征在于，用相位差為π/2或-π/2的兩個正弦信號經(jīng)壓電陶瓷同時激勵定子在空間上相差π/2的同形面內(nèi)振動模態(tài)，使定子端面上產(chǎn)生行波的同時，其與轉(zhuǎn)子工作面相接觸的表面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動，經(jīng)摩擦推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。
全文摘要
一種無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機及工作模態(tài)和電激勵方式，屬超聲電機。該電機包括定子、轉(zhuǎn)子及壓電陶瓷。所述定子為兩個環(huán)行定子(2、4)夾持壓電陶瓷環(huán)(3)的夾心式結(jié)構(gòu)，兩個轉(zhuǎn)子(1、5)壓在定子的兩個端面上。壓電陶瓷(3)用于激發(fā)定子面內(nèi)振動模態(tài)，同時由泊松效應(yīng)使定子兩個端面上的質(zhì)點產(chǎn)生軸向位移。用相位差為π/2的兩個正弦信號同時激勵定子在空間上相差π/2的同形面內(nèi)振動模態(tài)，使定子兩個端面上產(chǎn)生行波的同時，其表面質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動，經(jīng)摩擦推動壓在其上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。該超聲電機結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動效率高、力矩大、工作可靠、加工成本低。
文檔編號H02N2/14GK101072001SQ20071002096
公開日2007年11月14日 申請日期2007年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月5日
發(fā)明者趙淳生, 金家楣 申請人:南京航空航天大學(xué)