專利名稱：圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)及電激勵方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)及電激勵方法，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)和彈性體的超聲振動的一種新概念 動力裝置。目前，多自由度超聲電機(jī)多為桿式定子和球形轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，桿式定子利 用兩個彎振和一個縱振配合實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的三個轉(zhuǎn)動軸的旋轉(zhuǎn)。實際中，彎振的頻率 與縱振的頻率難以一致，但電機(jī)的驅(qū)動頻率只能是一個，這樣電機(jī)的驅(qū)動效率就 會較低，電機(jī)輸出性能受到影響。此外，由于桿式多自由度電機(jī)利用了二彎振動 模態(tài)和縱振模態(tài)，以及定子裝配尺寸的限制，其軸向尺寸難以減小，不利于小型 化，應(yīng)用范圍因此受到限制。

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、易于小型化、效率高、工作可靠、響 應(yīng)速度快、應(yīng)用范圍更廣的多自由度超聲電機(jī)。本發(fā)明的圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)，由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為球 形轉(zhuǎn)子。定子為一個金屬圓環(huán)，圓環(huán)定子側(cè)面均布粘貼六片壓電陶瓷片，其中相 對的兩片壓電陶瓷片平行對齊。圓環(huán)定子的上端面有三個上凸臺，它們是沿周向 均布的，而且上凸臺與其中的三個粘貼陶瓷片的平臺在同一位置，用于支撐、驅(qū) 動球形轉(zhuǎn)子。在圓環(huán)定子的下端面，與上凸臺相對應(yīng)的相同的位置上，有三個小 凸臺，其作用為支撐整個電機(jī)。轉(zhuǎn)子通過其自重提供定、轉(zhuǎn)子間所需的預(yù)壓力。粘貼陶瓷片的平臺數(shù)、壓電陶瓷片數(shù)為上凸臺或下凸臺數(shù)目n的2倍。n可 以取值3或5。當(dāng)驅(qū)動信號給任意相對的兩片壓電陶瓷片供電時，會激勵定子的面內(nèi)二彎振 動模態(tài)，產(chǎn)生駐波，這時其中的一個上凸臺對球形轉(zhuǎn)子有一摩擦推力作用，驅(qū)動 球形轉(zhuǎn)子繞過轉(zhuǎn)子球心且與這兩片壓電陶瓷片平行的軸線轉(zhuǎn)動。圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)除具有超聲電機(jī)的一般特點(diǎn)外，由于采用圓環(huán)形定 子，其結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化；采用的工作模態(tài)為面內(nèi)二彎振動模態(tài)，利用的是 單一振動模態(tài)，不存在復(fù)合振動模態(tài)多自由度電機(jī)的兩相模態(tài)頻率不一致的問 題，工作效率高；電機(jī)由三路正弦信號激勵，驅(qū)動電路簡單，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞多個 轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動。


圖l是圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)定子結(jié)構(gòu)，壓電陶瓷片極化及粘貼方式示意圖。圖3是激勵圓環(huán)定子產(chǎn)生面內(nèi)二彎振動模態(tài)的驅(qū)動信號示意圖。圖4只有信號輸入端7接入驅(qū)動信號，定子一個周期內(nèi)的振動示意圖。其中 圖(1)、圖(n)、圖(III)、圖(IV)為定子一周期內(nèi)的4個狀態(tài)示意圖。圖l、圖2中標(biāo)號名稱1球形轉(zhuǎn)子，2圓環(huán)定子，3壓電陶瓷片，4上凸 臺，5下凸臺，6粘貼壓電陶瓷片的平臺。圖3中標(biāo)號名稱7、 8、 9定子驅(qū)動信號輸入端。圖4中標(biāo)號名稱X、 Y， XI、 Yl, X2、 Y2為直角坐標(biāo)。
具體實施例方式根據(jù)附圖敘述本發(fā)明的具體實施方式
和工作原理。如圖1所示，本發(fā)明的圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)，主要由轉(zhuǎn)子和定子構(gòu)成。 轉(zhuǎn)子為球形轉(zhuǎn)子l;定子為一個金屬圓環(huán)2，其側(cè)面均布粘貼六片壓電陶瓷片3， 其中相對的兩片壓電陶瓷片平行對齊；圓環(huán)定子的上端面有三個上凸臺4，它們 是沿周向均布的，而且上凸臺與其中三個粘貼壓電陶瓷片的平臺6在同一位置， 用于支撐、驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子通過其自重提供定、轉(zhuǎn)子間所需的預(yù)壓力；圓環(huán) 定子的下端面也有三個小凸臺5，它們的位置與上凸臺4位置相同，其用于支撐 整個電機(jī)。圖2所示的"+"表示壓電陶瓷片3的極化方向，所有壓電陶瓷片的 粘貼方式都一樣，"+"朝外粘貼。本發(fā)明利用壓電陶瓷元件來激勵定子的面內(nèi)二彎振動模態(tài)，產(chǎn)生駐波，推動 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。當(dāng)超聲頻率的驅(qū)動信號給任意相對的兩片壓電陶瓷片供電時，圓環(huán)定 子就會變形產(chǎn)生駐波，這時其中的一個上凸臺對球形轉(zhuǎn)子有一摩擦推力作用，驅(qū) 動球形轉(zhuǎn)子繞過轉(zhuǎn)子球心且與這兩片壓電陶瓷片平行的軸線轉(zhuǎn)動。分別激勵三組 相對的壓電陶瓷片，驅(qū)使轉(zhuǎn)子繞三個轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動。1)球形轉(zhuǎn)子繞過轉(zhuǎn)子球心并與Y軸平行的軸轉(zhuǎn)動如圖3所示，當(dāng)只給信號輸入端7提供驅(qū)動信號五-Fsin(紐)或 五-Fcos(紐)，會激勵定子的面內(nèi)二彎振動模態(tài)，產(chǎn)生駐波，推動球形轉(zhuǎn)子繞過 轉(zhuǎn)子球心并與Y軸平行的軸轉(zhuǎn)動。圖4是當(dāng)只對信號輸入端7提供驅(qū)動信號五-Fsin(紐)時，圓環(huán)形定子在一 個周期內(nèi)的4個狀態(tài)。圖4( I )為對信號輸入端7輸入電壓為0時定子的狀態(tài)， 這時定子沒有變形。圖4 (II)為對信號輸入端7輸入電壓為r時定子的狀態(tài)， 定子沿X方向變形收縮，上凸臺4a (見圖3)對球形轉(zhuǎn)子有一個切向力的作用， 推動轉(zhuǎn)子繞過轉(zhuǎn)子球心并與Y軸平行的軸轉(zhuǎn)動。圖4 (III)為對信號輸入端7輸 入電壓為O時定子的狀態(tài)，這時定子沒有變形。圖4 (IV)為對信號輸入端7輸 入電壓為-F時定子的狀態(tài)，此時定子沿X方向變形伸長。經(jīng)過一個正弦激勵周 期，球形轉(zhuǎn)子已繞過轉(zhuǎn)子球心并與Y軸平行的軸轉(zhuǎn)動了一個角度，如此重復(fù)，可 使轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)動軸持續(xù)轉(zhuǎn)動。2) 球形轉(zhuǎn)子繞過轉(zhuǎn)子球心并與Yl軸平行的軸轉(zhuǎn)動如圖3所示，當(dāng)只給信號輸入端8提供驅(qū)動信號五-Fsin(欲)或 ￡ = Fcos(W)，會激勵定子的面內(nèi)二彎振動模態(tài)，產(chǎn)生駐波，推動球形轉(zhuǎn)子繞過 轉(zhuǎn)子球心并與Yl軸平行的軸轉(zhuǎn)動。3) 球形轉(zhuǎn)子繞過轉(zhuǎn)子球心并與Y2軸平行的軸轉(zhuǎn)動如圖3所示，當(dāng)只給信號輸入端9提供驅(qū)動信號五-rsin(W)或 五-Fcos(紐)，會激勵定子的面內(nèi)二彎振動模態(tài)，產(chǎn)生駐波，推動球形轉(zhuǎn)子繞過 轉(zhuǎn)子球心并與Y2軸平行的軸轉(zhuǎn)動。
權(quán)利要求
1.一種圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的轉(zhuǎn)子為球形轉(zhuǎn)子(1)；所述的定子為一圓環(huán)(2)，六片壓電陶瓷片(3)均布粘貼在定子側(cè)面的六個平臺(6)上，相對的兩片壓電陶瓷片相互平行；定子上端面有三個沿周向均布的上凸臺(4)，而且上凸臺(4)與其中三個粘貼壓電陶瓷片的平臺(6)在同一位置，用于支撐并驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；在定子的下端面，與上凸臺(4)相對應(yīng)的相同的位置上，有三個小凸臺(5)，作用于支撐整個電機(jī)。
2. 依據(jù)權(quán)利要求l所述的圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)，其特征在于粘貼壓電陶 瓷片的平臺數(shù)、壓電陶瓷片數(shù)為上凸臺(4)數(shù)目n的2倍。n取值3或5。
3. —種如權(quán)利要求1所述的圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)的電激勵方法，其特征在 于當(dāng)超聲頻率的驅(qū)動信號給任意相對的兩片壓電陶瓷片供電時，會激勵定 子的面內(nèi)二彎振動模態(tài)，產(chǎn)生駐波，其中的一個上凸臺(4)對球形轉(zhuǎn)子(1) 有一推力作用，驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子繞過轉(zhuǎn)子球心且與這兩壓電陶瓷片平行的軸線 轉(zhuǎn)動。
全文摘要
一種圓環(huán)形多自由度超聲電機(jī)及電激勵方法，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。該超聲電機(jī)包括轉(zhuǎn)子和定子，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為球形轉(zhuǎn)子(1)；定子為一個金屬圓環(huán)(2)，圓環(huán)定子側(cè)面均布粘貼六片壓電陶瓷片(3)；圓環(huán)定子的上端面有三個沿周向均布的上凸臺(4)，而且與粘貼陶瓷片的平臺(6)在同一位置，用于支撐、驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子通過其自重提供定、轉(zhuǎn)子間所需的預(yù)壓力；圓環(huán)定子的下端面也有三個與上凸臺(4)位置相對應(yīng)的小凸臺(5)，用于支撐整個電機(jī)。當(dāng)驅(qū)動信號給任意相對的兩片壓電陶瓷片(3)供電時，會激勵出定子的面內(nèi)二彎振動模態(tài)，產(chǎn)生駐波，驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子繞過轉(zhuǎn)子球心且與兩壓電陶瓷片平行的軸線轉(zhuǎn)動。該超聲電機(jī)可實現(xiàn)繞多個轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于小型化、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H02N2/10GK101162877SQ200710131438
公開日2008年4月16日 申請日期2007年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月30日
發(fā)明者張健滔, 趙淳生, 金家楣 申請人:南京航空航天大學(xué)