專利名稱：類齒輪傳動行波超聲電機及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種超聲電機及其控制方法，特別地，涉及一種類齒輪傳動行波超聲電機及其控制方法。
背景技術：
超聲電機是20世紀80年代發展起來的一種全新概念的微特電機，其利用壓電材料的逆壓電效應，通過激勵信號激發定子壓電陶瓷在超聲頻段產生振動，并通過定子表面質點的橢圓運動與轉子摩擦，從而將定子表面質點的微觀振動轉換為轉子的宏觀轉動。由于超聲電機具有轉矩大、無噪聲、響應速度快、不受電磁干擾等顯著優點而廣泛應用于精密儀器、微型機器人、航空航天等領域中。超聲電機本身是包含機械、電氣、振動、計算機、自動控制等多領域的機電產品。眾所周知，定轉子接觸界面的動力特性傳遞是影響超聲電機摩擦、噪聲與壽命的決定因素。現有的行波超聲電機利用圓環的彎曲振動，在圓環上由兩列駐波合成一列行波。利用行波波峰處質點的橢圓運動與轉子接觸產生的摩擦力驅動轉子。但由于現有超聲電機定子在超聲頻段下僅做微米級振動，這種驅動方式僅利用了行波在波峰處的摩擦驅動力，因而導致其機械效率低，摩擦損耗大。同時，伴隨摩擦產生的熱量使得超聲電機的諧振頻率都會產生漂移，不利于超聲電機輸出的穩定性及長期性。因此，設計一種新型的能夠充分利用行波在波峰與波谷之間的驅動力的行波超聲電機，對提聞機械傳動效率、減少摩擦損耗、延長超聲電機壽命等諸多方面具有重大意義。
發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明所要解決的技術問題是提供一種類齒輪傳動行波超聲電機及其控制方法，該超聲電機扭矩大、轉速快、效率高，具有廣泛的應用范圍。為實現上述目的，本發明提供了一種類齒輪傳動行波超聲電機，其包括第一電刷、第一銅環、電機輸出軸、外殼、轉子、定子、基座、第二電刷、第二銅環、基座軸承、壓力傳感器、彈性墊圈、預緊螺母和外殼軸承，其中，所述定子包括金屬彈性體、環形壓電陶瓷和兩個半環形鍍銀電極，所述定子的環形壓電陶瓷粘貼在所述定子的金屬彈性體的下表面，所述定子的環形壓電陶瓷均勻分區并單向極化，且相鄰兩個分區極化方向相反，所述定子的兩個半環形鍍銀電極分別覆蓋所述定子的環形壓電陶瓷下表面的左右兩側，所述定子固定在所述基座上；所述轉子同樣包括金屬彈性體、環形壓電陶瓷和兩個半環形鍍銀電極，所述轉子的環形壓電陶瓷粘貼在所述轉子的金屬彈性體的上表面，所述轉子的環形壓電陶瓷均勻分區并單向極化，且相鄰兩個分區極化方向相反，所述轉子的兩個半環形鍍銀電極分別覆蓋所述轉子的環形壓電陶瓷上表面的左右兩側；所述轉子的下表面與所述定子的上表面相接觸，所述轉子與所述電機輸出軸同軸，并與電機輸出軸的軸肩連接；所述電機輸出軸上靠近所述外殼的部位處固定有所述第一銅環和所述第二銅環，所述兩個銅環通過導線分別連接在所述轉子的兩個半環形鍍銀電極上，所述第一電刷和第二電刷嵌在所述外殼上靠近所述電機輸出軸的部位處并分別搭接在所述第一銅環和第二銅環上，所述電機輸出軸底部有外螺紋，所述基座軸承放置在所述基座底部凹槽內，所述壓力傳感器及所述彈性墊圈依次放置在所述基座軸承的底部內圈，所述預緊螺母通過所述外螺紋將壓力傳感器和彈性墊圈壓緊在所述基座軸承的內圈，設置在所述外殼內的外殼軸承與所述基座處的基座軸承構成軸承對，以支撐所述電機輸出軸，所述外殼與所述基座通過螺栓連接。如上述的類齒輪傳動行波超聲電機，其中，所述定子通過螺栓固定在所述基座上。如上述的類齒輪傳動行波超聲電機，其中，所述轉子通過螺栓與所述電機輸出軸相連接。 如上述的類齒輪傳動行波超聲電機，其中，所述壓力傳感器與顯示器相連接。如上述的類齒輪傳動行波超聲電機，其中，所述定子和轉子上的環形壓電陶瓷外觀尺寸相同。如上述的類齒輪傳動行波超聲電機，其中，所述定子和轉子中，所述環形壓電陶瓷的周長長度為所述金屬彈性體中所激發的行波波長的整數倍。如上述的類齒輪傳動行波超聲電機，其中，所述預緊螺母還用于調節所述超聲電機的預緊力，所述預緊力利用所述壓力傳感器測試。同時，本發明還提供了一種上述類齒輪傳動行波超聲電機的控制方法，其包括以下步驟給所述定子底部的環形壓電陶瓷一路半環形鍍銀電極施加驅動電信號EsinOt),從而在所述定子的金屬彈性體內形成一列駐波Wa (X, t) = Wsin (kx) sin O t)；同時給所述定子的另一路半環形銀電極施加驅動電信號EC0S( t)，從而在定子的金屬彈性體中形成另一列駐波Wb (X, t) = Wcos (kx) cos O t),上述兩路信號的激勵電壓幅值與頻率均相等，從而在所述定子的金屬彈性體中合成機械行波W1U, t) = W1CosGcx-COt),并在所述定子的金屬彈性體中傳播；通過所述第一電刷給所述第一銅環加驅動電信號Esin (COt),從而在所述轉子的金屬彈性體中形成一列駐波Wjx, t) = Wsin (kx) sin (wt);同時通過所述第二電刷給所述第二銅環施加驅動電信號Ecos (on)，從而在所述轉子的金屬彈性體中形成另一列駐波Wd(x, t) = Wcos(kx)cosOt),上述兩列駐波在所述轉子的金屬彈性體中合成機械行波W2 (x, t) = W2Cos (kx-wt),并在所述轉子的金屬彈性體中傳播；調節所述定子和轉子的激勵信號以調節所述定子和轉子中的兩列行波的相位差和工作頻率，使兩列行波的波峰波谷相互嚙合，形成類齒輪傳動。與現有技術相比，本發明的類齒輪傳動行波超聲電機及其控制方法具有以下突出的技術效果(I)超聲電機的定子與轉子被分別施加激勵信號，在定轉子的金屬彈性體中分別激勵出兩列行波，兩列行波波峰波谷互相嚙合，形成類齒輪傳動，從而充分利用了定轉子表面質點的驅動力，提高了傳動效率；(2)電機輸出軸底部的外螺紋上加彈性墊圈預緊，并通過壓力傳感器將壓力數值輸出，便于快速調整超聲電機運行時所需預緊力；(3)同時采用電刷為超聲電機的轉子供電，有效的保了超聲證電機持續穩定的運行。
圖I是本發明的類齒輪傳動行波超聲電機的結構示意圖2是本發明中定轉子金屬彈性體振動模態示意圖；圖3是本發明中定轉子金屬彈性體中行波嚙合示意圖；圖4是本發明中定轉子表面環形壓電陶瓷分區及鍍銀電極分布示意圖。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。如圖I所不,本發明的類齒輪傳動行波超聲電機由第一電刷I、第一銅環2、電機輸出軸3、外殼4、轉子5、定子6、基座7、第二電刷8、第二銅環9、基座軸承10、壓力傳感器12、彈性墊圈13、預緊螺母14和外殼軸承17等部件構成。其中，定子6包括金屬彈性體、環形壓電陶瓷11和兩個半環形鍍銀電極15和16。其中，環形壓電陶瓷11粘貼在金屬彈性體的下表面。環形壓電陶瓷11均勻分區16份并單向極化，且相鄰兩個分區極化方向相反。如圖4所示，半環形鍍銀電極15和半環形鍍銀電極16分別覆蓋環形壓電陶瓷11下表面的左右兩側，從而最終形成的類齒輪傳動行波超聲電機的定子結構。圖4中所標正負代表該分區環形壓電陶瓷11的極化方向。定子6由螺栓固定在電機基座7上。轉子5同樣包括金屬彈性體、環形壓電陶瓷和兩個半環形鍍銀電極。其中，與定子中的環形壓電陶瓷相同，轉子5中的環形壓電陶瓷均勻分區16份并單向極化，且相鄰兩個分區極化方向相反，且環形壓電陶瓷粘貼在金屬彈性體的上表面。轉子5上表面的環形壓電陶瓷分區及半環形鍍銀電極布局與定子6相同，即轉子5的兩個半環形鍍銀電極分別覆蓋環形壓電陶瓷上表面的左右兩側。轉子5下表面與定子6上表面相接觸，轉子5與電機輸出軸3同軸,并通過螺栓與電機輸出軸3上的軸肩連接。電機輸出軸3靠近外殼4的部位固定有第一銅環2和第二銅環9。上述兩個銅環通過導線分別連接在轉子5的兩個鍍銀電極上。第一電刷I和第二電刷8嵌在電機外殼4靠近電機輸出軸3的部位并分別搭接在第一銅環2和第二銅環9上。兩個電刷分別通過銅環與半環形鍍銀電極之間的導線為轉子5供電，以產生連續激勵信號。電機輸出軸3底部加工有外螺紋。基座軸承10放置在電機基座7底部凹槽內，壓力傳感器12及彈性墊圈13依次放置在基座軸承10的底部。預緊螺母14通過外螺紋擰緊，將壓力傳感器12和彈性墊圈13壓緊在基座軸承10的內圈，從而使得電機的定轉子預緊在一起。調整預緊螺母14，觀察與壓力傳感器12相連接的顯示器中顯示的預緊力的數值，即可完成電機預緊力調節。電機外殼4內的外殼軸承17與基座7處的基座軸承10構成軸承對，用于支撐電機輸出軸3，保持輸出平穩性。最后，電機外殼4與電機基座7通過螺栓連接，從而構成整個超聲電機。由于定子6和轉子5具有相同的環形壓電陶瓷11分區數及外觀尺寸，經激勵信號激勵后形成的行波具有相同的波長。具體地，環形壓電陶瓷11的周長長度為金屬彈性體中所激發的行波波長的整數倍。類齒輪傳動行波超聲電機的控制方法如下
電機運轉時，給定子底部的環形壓電陶瓷一路半環形鍍銀電極施加正弦驅動電信號Esin(G) t)，環形壓電陶瓷在正弦信號的激勵下由于逆壓電效應發生變形，由于相鄰兩個分區的極化方向相反，因而變形方向也相反，由于正弦信號的反復交變，從而在定子的金屬彈性體中形成一列駐波Wa(X, t) = Wsin (kx) sin Ot);同時給定子的另一路半環形銀電極施加驅動電信號Ecos ( t)，同樣在定子的金屬彈性體中形成另一列駐波Wb (x，t)=Wcos (kx) cos ( t)。兩路信號的激勵電壓幅值與頻率均相等。在定子的金屬彈性體內同時施加上述激勵可得兩列駐波合成的機械行波=W1U, t) = W1Cos (kx- t)，該行波在定子的金屬彈性體中傳播。其中定子金屬彈性體中的振動模態如圖2所示。
通過第一電刷給第一銅環加驅動電信號Esin( t)，則在轉子的金屬彈性體中形成一列駐波Wjx, t) = Wsin (kx) sin (wt);同時通過第二電刷給第二銅環施加驅動電信號EcosOt),則在轉子的金屬彈性體中形成另一列駐波Wd(x, t) = Wcos (kx) cos (wt)。在轉子的金屬彈性體中同時施加上述激勵，可得兩個駐波合成的機械行波W2(x，t)=W2Cos (kx- t)，該行波在轉子的金屬彈性體中傳播。其中轉子金屬彈性體中的振動模態與定子相同，如圖2所示。上述4路驅動電信號分成兩組同時輸入電機的定子、轉子后，在超聲電機的定轉子上同時激起兩列行波W1U, t),ff2(x, t)。調節定子和轉子的激勵信號以調節兩列行波相位差和工作頻率使兩列行波的波峰波谷相互嚙合，形成類齒輪傳動，如圖3所示，則電機轉子在行波的推動下連續運轉。利用兩列行波的速度差來推動轉子旋轉。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
權利要求
1.一種類齒輪傳動行波超聲電機，其特征在于，包括第一電刷、第一銅環、電機輸出軸、外殼、轉子、定子、基座、第二電刷、第二銅環、基座軸承、壓力傳感器、彈性墊圈、預緊螺母和外殼軸承，其中，所述定子包括金屬彈性體、環形壓電陶瓷和兩個半環形鍍銀電極，所述定子的環形壓電陶瓷粘貼在所述定子的金屬彈性體的下表面，所述定子的環形壓電陶瓷均勻分區并單向極化，且相鄰兩個分區極化方向相反，所述定子的兩個半環形鍍銀電極分別覆蓋所述定子的環形壓電陶瓷下表面的左右兩側，所述定子固定在所述基座上；所述轉子同樣包括金屬彈性體、環形壓電陶瓷和兩個半環形鍍銀電極，所述轉子的環形壓電陶瓷粘貼在所述轉子的金屬彈性體的上表面，所述轉子的環形壓電陶瓷均勻分區并單向極化，且相鄰兩個分區極化方向相反，所述轉子的兩個半環形鍍銀電極分別覆蓋所述轉子的環形壓電陶瓷上表面的左右兩側；所述轉子的下表面與所述定子的上表面相接觸，所述轉子與所述電機輸出軸同軸，并與電機輸出軸的軸肩連接；所述電機輸出軸上靠近所述外殼的部位處固定有所述第一銅環和所述第二銅環，所述兩個銅環通過導線分別連接在所述轉子的兩個半環形鍍銀電極上，所述第一電刷和第二電刷嵌在所述外殼上靠近所述電機輸出軸的部位處并分別搭接在所述第一銅環和第二銅環上，所述電機輸出軸底部有外螺紋，所述基座軸承放置在所述基座底部凹槽內，所述壓力傳感器及所述彈性墊圈依次放置在所述基座軸承的底部內圈，所述預緊螺母通過所述外螺紋將壓力傳感器和彈性墊圈壓緊在所述基座軸承的內圈，設置在所述外殼內的外殼軸承與所述基座處的基座軸承構成軸承對，以支撐所述電機輸出軸，所述外殼與所述基座通過螺栓連接。
2.如權利要求I所述的類齒輪傳動行波超聲電機，其特征在于，所述定子通過螺栓固定在所述基座上。
3.如權利要求I所述的類齒輪傳動行波超聲電機，其特征在于，所述轉子通過螺栓與所述電機輸出軸連接。
4.如權利要求I所述的類齒輪傳動行波超聲電機，其特征在于，所述壓力傳感器與顯示器相連接。
5.如權利要求I所述的類齒輪傳動行波超聲電機，其特征在于，所述定子和轉子上的環形壓電陶瓷外觀尺寸相同。
6.如權利要求I所述的類齒輪傳動行波超聲電機，其特征在于，所述定子和轉子中，所述環形壓電陶瓷的周長長度為所述金屬彈性體中所激發的行波波長的整數倍。
7.如權利要求I所述的類齒輪傳動行波超聲電機，其特征在于，所述預緊螺母還用于調節所述超聲電機的預緊力，所述預緊力利用所述壓力傳感器測試。
8.如權利要求1-7之一所述的類齒輪傳動行波超聲電機的控制方法，其特征在于，包括以下步驟 給所述定子底部的環形壓電陶瓷一路半環形鍍銀電極施加驅動電信號Esin (Co t)，從而在所述定子的金屬彈性體內形成一列駐波Wa(X, t) = Wsin (kx) sin Ot);同時給所述定子的另一路半環形銀電極施加驅動電信號Ecos (Co t)，從而在定子的金屬彈性體中形成另一列駐波Wb (X, t) = Wcos (kx) cos Ot),上述兩路信號的激勵電壓幅值與頻率均相等,從而在所述定子的金屬彈性體內合成機械行波W1U,!:) = W1Cos (kx-wt),并在所述定子的金屬彈性體內傳播； 通過所述第一電刷給所述第一銅環加驅動電信號Esin (cot),從而在所述轉子的金屬彈性體中形成一列駐波W。(X, t) = Wsin (kx) sin (Wt);同時通過所述第二電刷給所述第二銅環施加驅動電信號Ecos (cot),從而在所述轉子的金屬彈性體中形成另一列駐波Wd (x，t)=Wcos (kx) cos Ot),上述兩列駐波在所述轉子的金屬彈性體內合成機械行波W2 (X, t)=W2Cos (kx-wt),并在所述轉子的金屬彈性體內傳播； 調節所述定子和轉子的激勵信號以調節所述定子和轉子中的兩列行波的相位差和工作頻率使所述兩列行波的波峰波谷相互嚙合，形成類齒輪傳動。
全文摘要
本發明公開了一種類齒輪傳動行波超聲電機，其包括第一電刷、第一銅環、電機輸出軸、外殼、轉子、定子、基座、第二電刷、第二銅環、基座軸承、壓力傳感器、彈性墊圈、預緊螺母和外殼軸承。本發明的類齒輪傳動行波超聲電機中，超聲電機的定子與轉子被分別施加激勵信號，在定轉子的金屬彈性體中分別激勵出兩列行波，兩列行波波峰波谷互相嚙合，形成類齒輪傳動，從而充分利用了定轉子表面質點的驅動力，提高了傳動效率；同時采用電刷為超聲電機的轉子供電，有效的保證了超聲電機持續穩定的運行。
文檔編號H02N2/16GK102647108SQ20121010326
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月10日 優先權日2012年4月10日
發明者葉林, 莊曉奇, 徐亮, 楊明 申請人:上海交通大學