專利名稱：新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子及其激勵方式的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種定子結構，尤其是一種旋轉(zhuǎn)超聲電機的定子結構及其激勵方式。
背景技術：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發(fā)超聲振動，依靠摩擦力驅(qū)動的新型作動器。旋轉(zhuǎn)型超聲電機屬于超聲電機的一種。與傳統(tǒng)電磁電機相比，超聲電機具有大轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、快速響應、精密定位和無電磁干擾等優(yōu)點，在生物醫(yī)療、精密驅(qū)動、光學器件以及航空航天等領域具有廣泛的應用前景。檢索現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)超聲電機專利發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?00910185434公開的一種階梯軸式旋轉(zhuǎn)超聲電機，其特點是兩個轉(zhuǎn)子采用階梯軸并聯(lián)放置于兩個定子中間，采用雙定子雙 轉(zhuǎn)子的結構，可有效提高輸出功率。申請?zhí)枮?01110329573. 5公開的一種行波旋轉(zhuǎn)超聲電機采用兩個定子共同驅(qū)動一個轉(zhuǎn)子的結構，同樣起到提高輸出功率的效果。但上述發(fā)明均基于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)超聲電機所采用的粘接壓電陶瓷工藝，當用于極端高溫環(huán)境時，由于膠層的非線性，將導致壓電陶瓷易碎，電機失效等不利現(xiàn)象；另外，為了提高輸出功率，前述兩份對比文件均將原有的行波型超聲電機的兩個定子簡單疊加而成的超聲電機；簡單的疊加原理需要優(yōu)選兩個定子工作特性非常接近，否則會互相干擾其工作方式，而由于加工的誤差，需要在大量的定子中反復選擇比對，增加整機的生產(chǎn)難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)超聲電機的定子結構，采用該定子結構的旋轉(zhuǎn)超聲電機能夠?qū)崿F(xiàn)正反向旋轉(zhuǎn)運動并具有大功率輸出特性。電機本體具有性能穩(wěn)定，輸出功率大，結構緊湊，對陶瓷片的要求較單一，加工和裝配要求較低，適合于高溫環(huán)境運行的特點。為實現(xiàn)以上的技術目的，本發(fā)明將采取以下的技術方案
一種新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子，包括雙齒面定子環(huán)以及彎振子；所述雙齒面定子環(huán)包括相對設置的第一定子環(huán)、第二定子環(huán)，第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的相鄰環(huán)面通過四組驅(qū)動柱連接，且第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的外側(cè)環(huán)面開設用于驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的齒形驅(qū)動面；每一根驅(qū)動柱均配置有一個彎振子，各彎振子相對于第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的圓心連線均勻分布，且相鄰兩彎振子在長度方向上相垂直；所述彎振子為夾心式壓電結構，包括緊固螺栓以及依次安裝在緊固螺栓上的前端蓋、第一夾持板、彎振壓電陶瓷組件、第二夾持板以及尾部配重塊；所述彎振子通過第一夾持板、第二夾持板與驅(qū)動柱固定；各彎振子分別與相應的激勵電源連接，以分別在第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的齒形驅(qū)動面產(chǎn)生面外行波運動。所述彎振子在長度方向上與驅(qū)動柱相垂直，且第一夾持板、第二夾持板對稱地夾持在驅(qū)動柱的兩端；第一定子環(huán)、第二定子環(huán)相對于彎振子對稱設置。所述彎振壓電陶瓷組件為兩分區(qū)激勵結構，包括彎振壓電陶瓷片以及電極片；所述彎振壓電陶瓷片以及電極片均為偶數(shù)片，且彎振壓電陶瓷片與電極片相間設置，各彎振壓電陶瓷片的極化邊界同位設置，同時相鄰的兩彎振壓電陶瓷片的正負極化區(qū)交替布置。本發(fā)明的另一個技術目的是提供一種上述新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子的激勵方式，相對設置的一組彎振子分別在一路時間相差為90°的正弦信號激發(fā)下，在第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的齒形驅(qū)動面均產(chǎn)生A型模態(tài)；另一組相對設置的彎振子分別在另一路時間相差為90°的正弦信號激發(fā)下，在第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的齒形驅(qū)動面均產(chǎn)生B型模態(tài)；A型模態(tài)、B型模態(tài)均為彎曲振動模態(tài)，具有相同的振型和相等的模態(tài)頻率，且A型模態(tài)、B型模態(tài)的空間相差為/2;兩路時間相差為90°的正弦信號同時對四個彎振子進行激勵時，A型模態(tài)、B型模態(tài)同時被激發(fā)，促使第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的齒形驅(qū)動面產(chǎn)生面外行波運動。 根據(jù)以上的技術方案，可以實現(xiàn)以下的有益效果
1、采用彎振子激發(fā)雙齒面定子環(huán)的面外彎曲振動，彎振子以驅(qū)動柱為對稱面，垂直安放于驅(qū)動柱的中央，彎振子的數(shù)量為四個，繞金屬圓環(huán)的中心軸呈90度均布，這種布局結構緊湊，激發(fā)的模態(tài)振型相同，并且有助于提高輸出功率；采用彎振子的夾持板作為定子整體的夾持結構，夾持板結構設計成柔性，有利于避免對振動模態(tài)的影響和提高輸出穩(wěn)定性；另外，本發(fā)明采用單個定子雙面齒輸出動力的一體化結構，解決了現(xiàn)有技術中采用簡單疊加的雙定子結構加工精度難以控制的問題；
2、由彎振子激發(fā)的雙齒面彎曲振動經(jīng)有限元計算，其彎振模態(tài)易于激發(fā)定子金屬圓環(huán)的面外彎曲振動，并且模態(tài)頻率較低，諧波響應計算的振幅較高，有助于提高電機的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩。


圖I為彎振子的結構示意圖其中，圖1-1為立體視圖，圖1-2為分解視圖。圖2為新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子的結構示意圖其中，圖2-1為正視圖，圖2-2為立體圖。圖3為新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機工作原理示意圖；其中圖3 (a)為雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子的兩齒形驅(qū)動面被激勵作面外行波運動的示意圖；圖3 (b)為第三彎振子的一階彎曲振動模態(tài)示意圖；圖3 (c)為第四彎振子的一階彎曲振動模態(tài)示意圖。圖中標號名稱1_1、第一彎振子；1_2、第二彎振子；2_1、第三彎振子；2_2、第四彎振子；3、第一驅(qū)動柱；4、第二驅(qū)動柱；5、第三驅(qū)動柱；6、第四驅(qū)動柱；7、上部定子環(huán)；8、下部定子環(huán)；9、緊固螺栓；10、前端蓋；11、夾持板；12、尾部配重塊；13、電極片；14、壓電陶瓷；15、第三彎振子的一階彎曲振動模態(tài)；16、第四彎振子的一階彎曲振動模態(tài)；17、上部定子環(huán)的A型面外彎曲振動模態(tài)；18、下部定子環(huán)的A型面外彎曲振動模態(tài)。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明所涉及優(yōu)選實施例的結構示意圖；以下將結合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術方案。如圖2-1、2_2所示，本發(fā)明所述新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子，主要由雙齒面定子環(huán)以及與之相連的四個彎振子1-1、1_2、2-1和2-2組成；雙齒面定子環(huán)包括上部定子環(huán)7，驅(qū)動柱3、4、5、6，和下部定子環(huán)8。其中，上部定子環(huán)7和下部定子環(huán)8的驅(qū)動端面上具有齒形結構；彎振子對稱安裝在驅(qū)動柱兩側(cè)，長度方向上與驅(qū)動柱垂直；彎振子為夾心式壓電組合結構，如圖1-1、1-2所示，包括緊固螺栓9、前端蓋10、夾持板11、壓電陶瓷片14、尾部配重塊12和電極片13，其中，四片壓電陶瓷由螺栓施加預緊力，緊固于端部和尾部配重塊之間。該雙齒面定子具有四個均勻分布的彎振子，且相鄰兩振子呈90度垂直，故適合的工作模態(tài)為Btln (n取奇數(shù)，n=l, 3, 5***), B表不彎曲振動，第一下標為振動的節(jié)圓數(shù)，第二下標為振動的節(jié)徑數(shù)。如圖3所示，在彎振子2-1施加A+·相信號S1 = Fsm(im),彎振子2-2施加A-相信號馬=-Fsm_),可激發(fā)圖3所示的局部彎曲振動
模態(tài)15和16，具有2個節(jié)點，帶動連接柱運動，激發(fā)上部定子環(huán)7和下部定子環(huán)8的面外彎曲振動模態(tài)17和18，將其定義為A型模態(tài)；同理，分別在在彎振子1-1和1-2施加B+相信號馬=Jr sm(0K + r/ 2)和B-相信號馬=-Vsm(rni+JTf 2),可激發(fā)定子環(huán)的另一組面外彎曲
振動模態(tài)，將其定義為B型模態(tài)；由于結構上的對稱性，理論上A型模態(tài)和B型模態(tài)為同型同頻模態(tài)，但振型在周向上相差n/4彎曲波波長，即在空間相位上相差/2。當四個信號
馬、馬、馬和馬同時施加時，兩個工作模態(tài)的疊加可使齒形端面產(chǎn)生面外行波運動，經(jīng)摩
擦作用推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的正、反方向可由A、B兩相正弦信號的相位差確定，S卩/2相位差使電機動子正向運動、一 ^ /2相位差使電機動子反向運動。夾持板設置為柔性構件，即夾持板對稱地設置有兩道圓弧槽。從而可以有效地減小夾持剛度，提高夾持板的彈性。
權利要求
1.一種新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子，其特征在于包括雙齒面定子環(huán)以及彎振子；所述雙齒面定子環(huán)包括相對設置的第一定子環(huán)、第二定子環(huán)，第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的相鄰環(huán)面通過四組驅(qū)動柱連接，且第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的外側(cè)環(huán)面開設用于驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的齒形驅(qū)動面；每一根驅(qū)動柱均配置有一個彎振子，各彎振子相對于第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的圓心連線均勻分布，且相鄰兩彎振子在長度方向上相垂直；所述彎振子為夾心式壓電結構，包括緊固螺栓以及依次安裝在緊固螺栓上的前端蓋、第一夾持板、彎振壓電陶瓷組件、第二夾持板以及尾部配重塊；所述彎振子通過第一夾持板、第二夾持板與驅(qū)動柱固定；各彎振子分別與相應的激勵電源連接，以分別在第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的齒形驅(qū)動面產(chǎn)生面外行波運動。
2.根據(jù)權利要求I所述新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子，其特征在于所述彎振子在長度方向上與驅(qū)動柱相垂直，且第一夾持板、第二夾持板對稱地夾持在驅(qū)動柱的兩端；第一定子環(huán)、第二定子環(huán)相對于彎振子對稱設置。
3.根據(jù)權利要求I所述新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子，其特征在于所述彎振壓電陶瓷組件為兩分區(qū)激勵結構，包括彎振壓電陶瓷片以及電極片；所述彎振壓電陶瓷片以及電極片均為偶數(shù)片，且彎振壓電陶瓷片與電極片相間設置，各彎振壓電陶瓷片的極化邊界同位設置，同時相鄰的兩彎振壓電陶瓷片的正負極化區(qū)交替布置。
4.一種權利要求I所述新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子的激勵方式，其特征在于相對設置的一組彎振子分別在一路時間相差為90°的正弦信號激發(fā)下，在第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的齒形驅(qū)動面均產(chǎn)生A型模態(tài)；另一組相對設置的彎振子分別在另一路時間相差為90°的正弦信號激發(fā)下，在第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的齒形驅(qū)動面均產(chǎn)生B型模態(tài);A型模態(tài)、B型模態(tài)均為面外彎曲振動模態(tài)，具有相同的振型和相等的模態(tài)頻率，且A型模態(tài)、B型模態(tài)的空間相差為n/2;兩路時間相差為90°的正弦信號同時對四個彎振子進行激勵時，A型模態(tài)、B型模態(tài)同時被激發(fā)，促使第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的齒形驅(qū)動面產(chǎn)生面外行波運動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型雙齒面旋轉(zhuǎn)超聲電機定子及其激勵方式，包括雙齒面定子環(huán)以及彎振子；所述雙齒面定子環(huán)包括相對設置的第一定子環(huán)、第二定子環(huán)，第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的相鄰環(huán)面通過四組驅(qū)動柱連接，且第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的外側(cè)環(huán)面開設用于驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子的齒形驅(qū)動面；每一根驅(qū)動柱均配置有一個彎振子，各彎振子相對于第一定子環(huán)、第二定子環(huán)的圓心連線均勻分布，且相鄰兩彎振子在長度方向上相垂直。因此，采用該定子結構的旋轉(zhuǎn)超聲電機能夠?qū)崿F(xiàn)正反向旋轉(zhuǎn)運動并具有大功率輸出特性。電機本體具有性能穩(wěn)定，輸出功率大，結構緊湊，對陶瓷片的要求較單一，加工和裝配要求較低，適合于高溫環(huán)境運行的特點。
文檔編號H02N2/14GK102751905SQ20121021064
公開日2012年10月24日 申請日期2012年6月25日 優(yōu)先權日2012年6月25日
發(fā)明者胡俊輝, 蘆小龍, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學