新型雙齒面旋轉超聲電機定子及其激勵方式的製作方法

2023-05-30 10:17:51

專利名稱：新型雙齒面旋轉超聲電機定子及其激勵方式的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種定子結構，尤其是一種旋轉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。旋轉型超聲電機屬於超聲電機的一種。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、精密定位和無電磁幹擾等優點，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。檢索現有的旋轉超聲電機專利發現，申請號為200910185434公開的一種階梯軸式旋轉超聲電機，其特點是兩個轉子採用階梯軸並聯放置於兩個定子中間，採用雙定子雙 轉子的結構，可有效提高輸出功率。申請號為201110329573. 5公開的一種行波旋轉超聲電機採用兩個定子共同驅動一個轉子的結構，同樣起到提高輸出功率的效果。但上述發明均基於傳統的旋轉超聲電機所採用的粘接壓電陶瓷工藝，當用於極端高溫環境時，由於膠層的非線性，將導致壓電陶瓷易碎，電機失效等不利現象；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，而由於加工的誤差，需要在大量的定子中反覆選擇比對，增加整機的生產難度。

發明內容
本發明針對現有技術的不足，目的在於提供一種旋轉超聲電機的定子結構，採用該定子結構的旋轉超聲電機能夠實現正反向旋轉運動並具有大功率輸出特性。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，適合於高溫環境運行的特點。為實現以上的技術目的，本發明將採取以下的技術方案
一種新型雙齒面旋轉超聲電機定子，包括雙齒面定子環以及彎振子；所述雙齒面定子環包括相對設置的第一定子環、第二定子環，第一定子環、第二定子環的相鄰環面通過四組驅動柱連接，且第一定子環、第二定子環的外側環面開設用於驅動電機轉子的齒形驅動面；每一根驅動柱均配置有一個彎振子，各彎振子相對於第一定子環、第二定子環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、第二定子環的齒形驅動面產生面外行波運動。所述彎振子在長度方向上與驅動柱相垂直，且第一夾持板、第二夾持板對稱地夾持在驅動柱的兩端；第一定子環、第二定子環相對於彎振子對稱設置。所述彎振壓電陶瓷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新型雙齒面旋轉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°的正弦信號激發下，在第一定子環、第二定子環的齒形驅動面均產生A型模態；另一組相對設置的彎振子分別在另一路時間相差為90°的正弦信號激發下，在第一定子環、第二定子環的齒形驅動面均產生B型模態；A型模態、B型模態均為彎曲振動模態，具有相同的振型和相等的模態頻率，且A型模態、B型模態的空間相差為/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、B型模態同時被激發，促使第一定子環、第二定子環的齒形驅動面產生面外行波運動。 根據以上的技術方案，可以實現以下的有益效果
1、採用彎振子激發雙齒面定子環的面外彎曲振動，彎振子以驅動柱為對稱面，垂直安放於驅動柱的中央，彎振子的數量為四個，繞金屬圓環的中心軸呈90度均布，這種布局結構緊湊，激發的模態振型相同，並且有助於提高輸出功率；採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，有利於避免對振動模態的影響和提高輸出穩定性；另外，本發明採用單個定子雙面齒輸出動力的一體化結構，解決了現有技術中採用簡單疊加的雙定子結構加工精度難以控制的問題；
2、由彎振子激發的雙齒面彎曲振動經有限元計算，其彎振模態易於激發定子金屬圓環的面外彎曲振動，並且模態頻率較低，諧波響應計算的振幅較高，有助於提高電機的輸出轉速和扭矩。


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為新型雙齒面旋轉超聲電機工作原理示意圖；其中圖3 (a)為雙齒面旋轉超聲電機定子的兩齒形驅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示意圖；圖3 (c)為第四彎振子的一階彎曲振動模態示意圖。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、第一驅動柱；4、第二驅動柱；5、第三驅動柱；6、第四驅動柱；7、上部定子環；8、下部定子環；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；16、第四彎振子的一階彎曲振動模態；17、上部定子環的A型面外彎曲振動模態；18、下部定子環的A型面外彎曲振動模態。
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2-1、2_2所示，本發明所述新型雙齒面旋轉超聲電機定子，主要由雙齒面定子環以及與之相連的四個彎振子1-1、1_2、2-1和2-2組成；雙齒面定子環包括上部定子環7，驅動柱3、4、5、6，和下部定子環8。其中，上部定子環7和下部定子環8的驅動端面上具有齒形結構；彎振子對稱安裝在驅動柱兩側，長度方向上與驅動柱垂直；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，緊固於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，故適合的工作模態為Btln (n取奇數，n=l, 3, 5***), B表不彎曲振動，第一下標為振動的節圓數，第二下標為振動的節徑數。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_),可激發圖3所示的局部彎曲振動
模態15和16，具有2個節點，帶動連接柱運動，激發上部定子環7和下部定子環8的面外彎曲振動模態17和18，將其定義為A型模態；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),可激發定子環的另一組面外彎曲
振動模態，將其定義為B型模態；由於結構上的對稱性，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，兩個工作模態的疊加可使齒形端面產生面外行波運動，經摩
擦作用推動轉子轉動。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 ^ /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超聲電機定子，其特徵在於包括雙齒面定子環以及彎振子；所述雙齒面定子環包括相對設置的第一定子環、第二定子環，第一定子環、第二定子環的相鄰環面通過四組驅動柱連接，且第一定子環、第二定子環的外側環面開設用於驅動電機轉子的齒形驅動面；每一根驅動柱均配置有一個彎振子，各彎振子相對於第一定子環、第二定子環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、第二定子環的齒形驅動面產生面外行波運動。
2.根據權利要求I所述新型雙齒面旋轉超聲電機定子，其特徵在於所述彎振子在長度方向上與驅動柱相垂直，且第一夾持板、第二夾持板對稱地夾持在驅動柱的兩端；第一定子環、第二定子環相對於彎振子對稱設置。
3.根據權利要求I所述新型雙齒面旋轉超聲電機定子，其特徵在於所述彎振壓電陶瓷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。
4.一種權利要求I所述新型雙齒面旋轉超聲電機定子的激勵方式，其特徵在於相對設置的一組彎振子分別在一路時間相差為90°的正弦信號激發下，在第一定子環、第二定子環的齒形驅動面均產生A型模態；另一組相對設置的彎振子分別在另一路時間相差為90°的正弦信號激發下，在第一定子環、第二定子環的齒形驅動面均產生B型模態;A型模態、B型模態均為面外彎曲振動模態，具有相同的振型和相等的模態頻率，且A型模態、B型模態的空間相差為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、B型模態同時被激發，促使第一定子環、第二定子環的齒形驅動面產生面外行波運動。
全文摘要
本發明公開了一種新型雙齒面旋轉超聲電機定子及其激勵方式，包括雙齒面定子環以及彎振子；所述雙齒面定子環包括相對設置的第一定子環、第二定子環，第一定子環、第二定子環的相鄰環面通過四組驅動柱連接，且第一定子環、第二定子環的外側環面開設用於驅動電機轉子的齒形驅動面；每一根驅動柱均配置有一個彎振子，各彎振子相對於第一定子環、第二定子環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，採用該定子結構的旋轉超聲電機能夠實現正反向旋轉運動並具有大功率輸出特性。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，適合於高溫環境運行的特點。
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 優先權日2012年6月25日
發明者胡俊輝, 蘆小龍, 趙淳生 申請人:南京航空航天大學