專利名稱：彎振子激勵的旋轉超聲電機及其電激勵方式的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種彎振子激勵的旋轉超聲電機及其電激勵方式，屬超聲電機領域。
背景技術：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發超聲振動，依靠摩擦力驅動的新型作動器。旋轉型超聲電機屬于超聲電機的一種。與傳統電磁電機相比，超聲電機具有大轉矩質量比、快速響應、精密定位和無電磁干擾等優點，在生物醫療、精密驅動、光學器件以及航空航天等領域具有廣泛的應用前景。檢索現有面內行波的旋轉超聲電機專利發現，實現面內行波的方式主要有兩種采用貼片式壓電陶瓷激勵和采用夾心振子方式激勵。貼片式激勵需要在金屬環體表面銑出平面，這樣不利于對稱型面內行波的形成并且對粘貼工藝的要求較高；夾心振子式激勵廣泛采用縱振子激發定子的面內振動，振子的法向安裝方式占用了較多空間，不利于結構的小型化。目前有采用縱振和彎振兩種異型模態共同作用激發面內行波的新型旋轉超聲電機。申請號為200910212678. 5公開的一種面內行波旋轉超聲電機采用一個耦合縱彎兩種振型的振子激發圓環的面內彎曲行波運動，該電機結構的優點是結構簡單，加工工藝性好，但振子的法向布局不利于電機的微型化且定子的安裝和夾持方式對其振動模態有較大影響。申請號為200910072818. 3公開的一種縱彎復合式圓筒形旋轉超聲電機同樣米用一個具有縱彎復合模態的夾心式換能器激發圓筒的面內行波運動，其特點是夾心振子位于圓筒的切向位置，采用兩個懸臂結構與圓筒相連，該電機的優點是結構緊湊，但對懸臂部位的加工精度和裝配要求較高。另外，單一振子耦合兩種異型模態的設計較為復雜，要求采用不同類型的陶瓷片，且兩種模態在相同激勵情況下很難達到振幅一致。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，目的在于提供一種能夠實現正反向旋轉運動并具有大功率輸出特性的超聲電機及電激勵方式，電機本體具有性能穩定，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的特點。為實現以上的技術目的，本發明將采取以下的技術方案
一種彎振子激勵的旋轉超聲電機，包括定子組件、轉子組件以及沿定子組件軸向放置的轉動軸，且定子組件與轉子組件同軸設置；所述定子組件包括金屬圓環體以及四個壓電彎振子；所述金屬圓環體包括上部圓環，上部圓環的外壁周向均布四個連接足，該四個連接足與四個壓電彎振子一一對應連接，且該四個壓電彎振子繞金屬圓環體的中心軸呈90°旋轉均布，同時各壓電彎振子的長度方向與上部圓環的周向相切。所述上部圓環的內腔呈相背設置的雙錐面結構，且該雙錐面結構的兩錐面均等距開設齒槽，所述轉子組件包括分體設置的上轉子和下轉子，上轉子、下轉子分別與雙錐面結構的兩錐面相觸，且上轉子、下轉子與雙錐面結構的接觸面均呈錐面設置；所述上轉子通過預緊設置的彈性連接件安裝在轉動軸上，而下轉子則與轉動軸固定。、
所述金屬圓環體還包括下部固定圓環，該下部固定圓環通過中部支撐壁與上部圓環連接。所述壓電彎振子包括前端蓋、彎振壓電組件、尾部配重塊以及螺紋緊固件；彎振壓電組件通過螺紋緊固件與前端蓋固緊，尾部配重塊壓設在彎振壓電組件與螺紋緊固件的螺帽之間；彎振壓電組件為兩分區激勵結構，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交替布置。本發明的另一個技術目的是提供一種上述彎振子激勵的旋轉超聲電機的電激勵方式，分別將四個壓電彎振子劃分為兩相其中兩個相間設置的壓電彎振子為一相，在一路激勵電壓信號的作用下被激發出A型面內彎曲振動模態，而余下兩個相間設置的壓電彎振子為另一相，在另一路激勵電壓信號的作用下被激發出B型面內彎曲振動模態；所施加的兩路激勵電壓信號為n /2相位差的兩路同頻正弦信號，A型面內彎曲振動模態和B型面內彎曲振動模態具有相同或接近的共振頻率，促使上部圓環的雙錐面結構的錐面產生行波運動，導致該錐面上的質點具有橢圓形的運動軌跡，推動轉子組件轉動。根據以上的技術方案，可以實現以下的有益效果
1、本發明采用彎振子激發上部圓環的面內彎曲振動，且壓電彎振子的長度方向與金屬圓環的外圓周側面相切，同時壓電彎振子的數量為四個，繞上部圓環的中心軸呈90度旋轉均布，這種布局結構緊湊，激發的模態振型相同，并且有助于提高輸出功率；
2、金屬圓環體的上部圓環和下部固定環之間具有一段中部支撐薄壁結構，這種設計有助于定子的安裝和夾持，并且對其振動模態影響較小；
3、本發明將由縱振子激發的面內彎曲振動改為彎振子激發的面內彎曲振動,夾心振子的振動模態的轉變主要是由于振子安裝布局的轉變所決定經有限元計算，切向布局的振子其彎振模態更易激發定子金屬圓環的面內彎曲振動，并且模態頻率較低，諧波響應計算的振幅較高，有助于提高電機的輸出轉速和扭矩。與耦合兩種模態的設計相比，夾心振子的單一模態設計使得定子的結構設計較為靈活，方便，并且有助于多振子在同一振動模態下激發金屬圓環體的面內彎曲振動。4、本發明的彎振子激勵的旋轉超聲電機除具有超聲電機的一般特點外，采用金屬薄壁的支撐結構，有助于定子的安裝和夾持，并且這種設計不需要另外安裝軸承，金屬圓環的內側錐面結構和錐形雙轉子的設計起到自動對心的功能，因此電機可工作在極限低溫和真空環境等對潤滑有特殊要求的場合。
圖I.為彎振子的結構示意圖其中，圖1-1為剖視圖，圖1-2為分解視圖。圖2為定子的結構示意圖其中，圖2-1為正視圖，其中包含中部支撐薄壁的局部剖視，圖2-2為立體圖。圖3.為彎振子激勵的旋轉超聲電機結構示意圖其中，圖3-1為正視圖，其中包含上轉子、下轉子和定子圓環的局部剖視，圖3-2為立體圖。圖4.為彎振子激勵的旋轉超聲電機工作原理示意圖其中，圖4-1為A型面內三階彎曲振動模態振型圖，圖4-2為B型面內三階彎曲振動模態振型圖。
圖中標號名稱1、金屬圓環體；2_1、第一彎振子；2_2、第二彎振子；3_1、第三彎振子；3-2、第四彎振子；4、第一雙錐面；5、第二雙錐面；6、前端蓋；7、彎振壓電陶瓷片；8、尾部配重塊；9、緊固螺栓；10、電極片；11、第一連接足；12、第二連接足；13、第三連接足；14、第四連接足；15、上部圓環；16、中部支撐壁；17、下部固定環；18、轉軸；19、壓緊螺母；20、彈簧片；21、上轉子；22、下轉子；23、第一彎振子的一階彎曲振動模態；24、第二彎振子的一階彎曲振動模態；25、上部圓環的A型面內三階彎曲振動模態；26、27、28均為壓電陶器驅動信號輸入端；29、第三彎振子的一階彎曲振動模態；30、第四彎振子的一階彎曲振動模態；31、上部圓環的B型面內三階彎曲振動模態；32、33、34均為壓電陶器驅動信號輸入端。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發明所涉及優選實施例的結構示意圖；以下將結合附圖詳細地說明本發明的技術方案。如圖I至4所示，本發明所述彎振子激勵的旋轉超聲電機，包括定子組件、轉子組件以及沿定子組件軸向放置的轉動軸，且定子組件與轉子組件同軸設置；所述定子組件 包括金屬圓環體以及四個壓電彎振子；所述金屬圓環體包括上部圓環，上部圓環的外壁周向均布四個連接足即第一連接足11、第二連接足12、第三連接足13以及第四連接足14，該四個連接足與四個壓電彎振子一一對應連接，所述的四個壓電彎振子即為第一彎振子
2-1、第二彎振子2-2、第三彎振子3-1、第四彎振子3-2 ;且該四個壓電彎振子繞金屬圓環體的中心軸呈90 °旋轉均布，同時各壓電彎振子的長度方向與上部圓環的周向相切。如圖2-1、2_2所示，本發明所述上部圓環的內腔呈相背設置的雙錐面結構，且該雙錐面結構的兩錐面均等距開設齒槽，所述轉子組件包括分體設置的上轉子和下轉子，上轉子、下轉子分別與雙錐面結構的兩錐面相觸，且上轉子、下轉子與雙錐面結構的接觸面均呈錐面設置，即本發明所述上轉子21和下轉子22的主體為圓錐臺結構；所述上轉子通過預緊設置的彈性連接件安裝在轉動軸上，促使上轉子可以沿著轉動軸上下移動，本發明所采用的彈性連接件為彈簧片，該彈簧片20安裝在上轉子21的上表面，在壓緊螺母19的作用下發生彈性變形，其在軸向上的分力為定轉子的接觸提供預緊力，預緊力的大小由壓緊螺母19與轉動軸18之間軸向上的相對位置進行調節；而下轉子則與轉動軸固定；本發明為了便于定子組件的安裝和夾持，將所述上部圓環的下表面通過中部支撐壁與下部固定圓環連接。如圖1-1、1-2所示，本發明所述壓電彎振子包括前端蓋、彎振壓電組件、尾部配重塊以及螺紋緊固件；彎振壓電組件通過螺紋緊固件與前端蓋固緊，尾部配重塊壓設在彎振壓電組件與螺紋緊固件的螺帽之間；彎振壓電組件為兩分區激勵結構，包括四片彎振壓電陶瓷片以及四片電極片；所述彎振壓電陶瓷片與電極片相間設置，且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交替布置。本發明分別將四個壓電彎振子劃分為兩相其中兩個相間設置的壓電彎振子為一相，在一路激勵電壓信號的作用下被激發出A型面內彎曲振動模態，而余下兩個相間設置的壓電彎振子為另一相，在另一路激勵電壓信號的作用下被激發出B型面內彎曲振動模態；所施加的兩路激勵電壓信號為n/2相位差的兩路同頻正弦信號，A型面內彎曲振動模態和B型面內彎曲振動模態具有相同或接近的共振頻率，促使上部圓環的雙錐面結構的錐面產生行波運動，導致該錐面上的質點具有橢圓形的運動軌跡，推動轉子組件轉動。所述彎振子激勵的旋轉超聲電機如圖3所示，主要由轉子21和22以及定子組成。其定子如圖2所示。上轉子21和下轉子22主體為圓錐臺結構，與定子接觸面加工成錐面，下轉子22與轉動軸18固定，上轉子21可在轉動軸18上相對滑動，彈簧片20安裝在上轉子21的上表面，在壓緊螺母19的作用下發生彈性變形，其在軸向上的分力為定轉子的接觸提供預緊力，預緊力的大小由壓緊螺母19與轉動軸18之間軸向上的相對位置進行調節。圖2所示的定子由金屬圓環體I以及與金屬圓環體I相連的四個彎振子2-1、2_2、
3-1、3-2組成；金屬圓環體I為一體化加工，包括上部圓環15、中部支撐壁16和下部固定環17，其中，上部圓環驅動面為雙錐面4和5，并且開有齒槽，外側面均布四個連接足12、14、
11、13，分別與四個彎振子2-1、2-2、3-1、3-2的端部相連，四個彎振子繞金屬圓環體的中心軸呈90度旋轉均布，并且長度方向與上部圓環的周向相切，組成上、下、左、右四個驅動單元；中部支撐壁16的上表面與上部圓環15的下表面相連，薄壁在徑向上的位置位于齒槽和連接足之間；下部固定環17的上表面與中部支撐壁16的下表面相連，下部固定環17的下表面為電機的安裝面。以下詳述本發明的工作原理
該超聲電機設計的定子有效工作模態為面內彎曲振動模態，因為四個彎振子均勻分布，且相鄰兩振子呈90度垂直，故適合的工作模態為Btl3, B05和Btl9三種，B表示彎曲振動，第一下標為振動的節圓數，第二下標為振動的節徑數。下文控制方式以Btl3工作模態為例。如圖4-1所不，在驅動信號輸入端26接地，輸入端27施加A+相信號
B1 = FSin(OM),輸入端28施加A-相信號馬=-Fsm(_),可激發圖示的彎振子2-1和2-2
的局部彎曲振動B2模態，具有2個節點，帶動上連接足12和下連接足14運動，激發上部圓環15的Btl3面內三階彎曲振動模態25，將其定義為A型模態；如圖4-2所示，在驅動信號輸入端32接地，輸入端33施加B+相信號S3=F sm(m+yri 2),輸入端34施加B-相信號
馬=-Vsin(mt+7T12),可激發圖不的彎振子3-1和3-2的局部彎曲振動B2模態,具有2個節
點，帶動左連接足11和右連接足13運動，激發上部圓環15的Btl3面內三階彎曲振動模態31，將其定義為B型模態；由于結構上的對稱性，理論上A型模態和B型模態為同型同頻模
態，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，兩個模態25、31的疊加可使上部圓環15產生面內行波運動，內側雙
錐面4和5的齒頂端質點隨行波做橢圓運動，經摩擦作用推動轉子21和22在x-y平面內轉動。轉子轉動的正、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 31/2相位差使電機動子反向運動。
權利要求
1.一種彎振子激勵的旋轉超聲電機，包括定子組件、轉子組件以及沿定子組件軸向放置的轉動軸，且定子組件與轉子組件同軸設置；其特征在于所述定子組件包括金屬圓環體以及四個壓電彎振子；所述金屬圓環體包括上部圓環，上部圓環的外壁周向均布四個連接足，該四個連接足與四個壓電彎振子一一對應連接，且該四個壓電彎振子繞金屬圓環體的中心軸呈90 °旋轉均布，同時各壓電彎振子的長度方向與上部圓環的周向相切。
2.根據權利要求I所述彎振子激勵的旋轉超聲電機，其特征在于所述上部圓環的內腔呈相背設置的雙錐面結構，且該雙錐面結構的兩錐面均等距開設齒槽，所述轉子組件包括分體設置的上轉子和下轉子，上轉子、下轉子分別與雙錐面結構的兩錐面相觸，且上轉子、下轉子與雙錐面結構的接觸面均呈錐面設置；所述上轉子通過預緊設置的彈性連接件安裝在轉動軸上，而下轉子則與轉動軸固定。
3.根據權利要求I所述彎振子激勵的旋轉超聲電機，其特征在于所述金屬圓環體還包括下部固定圓環，該下部固定圓環通過中部支撐壁與上部圓環連接。
4.根據權利要求I所述彎振子激勵的旋轉超聲電機，其特征在于所述壓電彎振子包括前端蓋、彎振壓電組件、尾部配重塊以及螺紋緊固件；彎振壓電組件通過螺紋緊固件與前端蓋固緊，尾部配重塊壓設在彎振壓電組件與螺紋緊固件的螺帽之間；彎振壓電組件為兩分區激勵結構，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交替布置。
5.一種權利要求I所述彎振子激勵的旋轉超聲電機的電激勵方式，其特征在于，分別將四個壓電彎振子劃分為兩相其中兩個相間設置的壓電彎振子為一相，在一路激勵電壓信號的作用下被激發出A型面內彎曲振動模態，而余下兩個相間設置的壓電彎振子為另一相，在另一路激勵電壓信號的作用下被激發出B型面內彎曲振動模態；所施加的兩路激勵電壓信號為η/2相位差的兩路同頻正弦信號4型面內彎曲振動模態和B型面內彎曲振動模態具有相同或接近的共振頻率，促使上部圓環的雙錐面結構的錐面產生行波運動，導致該錐面上的質點具有橢圓形的運動軌跡，推動轉子組件轉動。
全文摘要
本發明公開了一種彎振子激勵的旋轉超聲電機及其電激勵方式，該旋轉超聲電機包括定子組件、轉子組件以及沿定子組件軸向放置的轉動軸，且定子組件與轉子組件同軸設置；所述定子組件包括金屬圓環體以及四個壓電彎振子；所述金屬圓環體包括上部圓環，上部圓環的外壁周向均布四個連接足，該四個連接足與四個壓電彎振子一一對應連接，且該四個壓電彎振子繞金屬圓環體的中心軸呈90°旋轉均布，同時各壓電彎振子的長度方向與上部圓環的周向相切。因此，本發明所述旋轉超聲電機能夠實現正反向旋轉運動并具有大功率輸出特性的超聲電機及電激勵方式，電機本體具有性能穩定，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的特點。
文檔編號H02N2/12GK102710167SQ20121016169
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月22日 優先權日2012年5月22日
發明者萬龍飛, 楊淋, 胡俊輝, 蘆小龍, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學