一種超聲電機及其驅動方法
2023-06-25 10:12:06
專利名稱：一種超聲電機及其驅動方法
技術領域：
本發明涉及電機，尤其涉及一種超聲電機及其驅動方法。
背景技術：
超聲電機是利用壓電材料的逆壓電效應，採取特定的結構製成的驅動機構，它一般由定子、轉子等功能部件構成，通常在定子上固定了具有電致伸縮效應的壓電元件，現有的超聲電機一般設置四(或其整數倍)個壓電元件，其驅動採用兩相正交電源，在實際應用中，兩相正交電源大多由直流通過逆變而得到，相互獨立的兩路電源需要兩組單相全橋電路，共需要八隻開關器件，這種兩相正交電源輸出的力矩不夠勻衡，所產生的高次諧波較大，影響超聲電機的運行穩定性。
發明內容
本發明的目的在於提供一種穩定性高的超聲電機及其驅動方法，以解決現有技術中採用兩相正交電源時電機的輸出力矩有波動，高次諧波大的問題。
本發明所採用的超聲電機，包括電機本體，所述電機本體包括轉子和定子，所述的定子上貼有壓電元件，其特徵在於所述壓電元件的數目為m或m的整數倍，其中，m為大於2的素數。
所述壓電元件的數量為3或3的整數倍。
所述壓電元件均勻對稱分布於定子上。
所述壓電元件的極化方向相對於貼置表面一致。
所述的壓電元件為壓電陶瓷片。
本發明所採用的超聲電機驅動方法，其特徵在於
A、獲取多相電源，所述多相電源為M相相位互差2π/M的電源，其中M為大於2的整數；B、所述多相電源中各相位電壓依次施加於超聲電機中的相應壓電元件上。
所述的步驟A中，所述多相電源為三相電源，所述三相電源的輸出為三相相位互差120°的交流正弦電壓、交流方波電壓或通過脈寬調製(PWMPulse Width Modulation)方式調製的交流脈衝電壓。
所述的三相電壓可以通過三相全橋或半橋電路逆變取得，或通過三個單相電源以Y或Δ連接方式取得。
所述的步驟B中，所述多相電源中相鄰相位電壓順次施加於相鄰壓電元件上。
所述的步驟B中，所述超聲電機中壓電元件的數量為3或3的整數倍。
所述的步驟A中，多相電源採用相位互差120°的交變電壓或電流的三相三線電壓系統；所述的步驟B中，其中三相電壓依次施加在各壓電元件的正極上。
所述的步驟A中，多相電源為相位互差120°的交變電壓或電流的三相四線電壓系統；所述的步驟B中，其中三相電壓依次施加在各壓電元件的正極上，零線則施加在各壓電元件的負極上。
所述的步驟B中，所述各壓電元件的負極與超聲電機的金屬殼體短接，則所述零線直接連接至金屬殼體上。
所述的步驟A中，多相電源為三組相位互差120°的交變電壓的三單相電壓系統；所述的步驟B中，其中各單相電壓的正、負極依次施加在各壓電元件的正、負極上。
本發明的有益效果為本發明採用M相相位互差2π/M的電源，如三相相位互差120°的交變電源，三相電源具有輸入功率自動平衡，不隨時間變化的特點，在驅動負載時，具有輸出力矩自動平衡且不隨時間變化的特點，在採用交流方波輸出時，本發明中的驅動超聲電機的三相電源具有更接近於正弦波的波形，其高次諧波更少，諧波幹擾小；在採用PWM輸出時，本發明中的驅動超聲電機的三相電源在相同載波頻率下具有更接近於正弦波的波形，具有更少的高次諧波，諧波幹擾小，因此，相對於現有技術，本發明穩定性高，諧波幹擾小，而且，在採用直流供電的逆變系統時，三相電源的三路輸出所需的三相全橋電路僅需六隻開關器件，比現有技術中的兩相正交電源系統節省開關器件，本發明相對成本低。
圖1為本發明中超聲電機結構示意圖；圖2為本發明實施例1定子(壓電陶瓷管部)立體示意圖；圖3為本發明實施例1定子(壓電陶瓷管部)俯視示意圖；圖4為本發明實施例1壓電元件電連接示意圖；圖5為本發明實施例1壓電元件電連接示意圖；圖6為本發明實施例2定子(壓電陶瓷管部)俯視示意圖；圖7為本發明實施例3定子(壓電陶瓷管部)俯視示意圖；圖8為本發明實施例3壓電元件電連接示意圖；圖9為本發明通過脈寬調製方式調製電源示意圖。
具體實施例方式
下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明實施例1根據圖1所示，本發明包括電機本體1，電機本體1包括轉子和定子，如圖1和圖2所示，定子包括柱形的壓電陶瓷管121、端壓片122和壓電元件120，壓電陶瓷管121和端壓片122相連結，壓電元件120貼置於壓電陶瓷管121外表面上，轉子包括轉塊111、轉軸112、螺母113和彈簧114，轉軸112穿過定子，兩個轉塊111與轉軸112連接且夾持於定子兩側，螺母113旋置於轉軸112的一側，其內側抵頂彈簧114，該彈簧114套於轉軸112上。
如圖2和圖3所示，壓電元件120為壓電陶瓷片，壓電元件120的數目為m或m的整數倍，其中，m為大於2的素數，在本實施例中，取m＝3，壓電元件120的數目為m的2倍，即數目為6，如圖3所示，壓電元件120均勻對稱地分布於定子上，即均勻對稱地貼置於壓電陶瓷管121的外表面上。
如圖3和圖4所示，壓電元件120的極化方向相對於貼置表面一致，即，如圖3和圖4中，極化方向均為由貼置表面外側至內側，則壓電元件120外表面為相應的正極，壓電元件120內表面為相應的負極。
本發明的主要驅動過程如下1.獲取多相電源，所述多相電源為M相相位互差2π/M的電源，在本實施例中，採用M＝3，多相電源為三相電源，該三相電源的輸出為三相相位互差120°的交流正弦電壓、交流方波電壓，該三相電壓可以通過三相全橋或半橋電路逆變取得，或通過三個單相電源以Y或Δ連接方式取得。
2.所述多相電源中各相位電壓依次施加於超聲電機中的相應壓電元件上，如圖4和圖5所示，多相電源中相鄰相位電壓順次施加於相鄰壓電元件上。
如圖4所示，三相電源採用相位互差120°的交變電壓或電流的三相三線電壓系統，其三相端分別為U、V、W，其中三相端U、V、W分別依次施加在各壓電元件120的正極上，即，如圖4所示，由左側起，設三相端U、V、W分別連接第1、第2、第3壓電元件120，則三相端U、V、W分別順次連接第4、第5、第6壓電元件120。
如圖5所示，當三相電源採用相位互差120°的交變電壓或電流的三相四線電壓系統，包括三相端U、V、W和地線Z，其中三相端U、V、W分別依次施加在各壓電元件120的正極上，零線Z則施加在各壓電元件120的負極上。
若各壓電元件120的負極與超聲電機的金屬殼體短接，則零線Z直接連接至金屬殼體上。
當三相電源採用三組相位互差120°的交變電壓的三單相電壓系統，各單相電壓的正、負極依次施加在各壓電元件120的正、負極上。
本發明中的三相電源可通過脈寬調製方式獲取，如圖9所示，採用脈寬調製發生器對六隻開關器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6進行調製，輸出三相相位互差120°的交變電壓U、V、W，至於其它部分結構，以及有關驅動過程與上述相同或相似，此處不再贅述。
實施例2如圖6所示，本實施例與實施例1的區別在於在本實施例中，壓電陶瓷管121為正六角稜柱型，可以是金屬或非金屬材料，至於其它部分結構，以及有關驅動過程與實施例1所述相同或相似，此處不再贅述。
實施例3根據圖7和圖8，本實施例與實施例1、2的主要區別在於在本實施例中，多相電源為5相相位互差72°的電源，其五相端分別為U、V、W、S、T，壓電元件120的數目為5的2倍，即10個，至於其它部分結構，以及有關驅動過程與實施例1或實施例2所述相同或相似，此處不再贅述。
權利要求
1.一種超聲電機，包括電機本體，所述電機本體包括轉子和定子，所述的定子上貼有壓電元件，其特徵在於所述壓電元件的數目為m或m的整數倍，其中，m為大於2的素數。
2.根據權利要求1所述的超聲電機，其特徵在於所述壓電元件的數量為3或3的整數倍。
3.根據權利要求1所述的超聲電機，其特徵在於所述壓電元件均勻對稱分布於定子上。
4.根據權利要求1所述的超聲電機，其特徵在於所述壓電元件的極化方向相對於貼置表面一致。
5.根據權利要求1-4中任意一項所述的超聲電機，其特徵在於所述的壓電元件為壓電陶瓷片。
6.一種超聲電機驅動方法，其特徵在於A、獲取多相電源，所述多相電源為M相相位互差2π/M的電源，其中M為大於2的整數；B、所述多相電源中各相位電壓依次施加於超聲電機中的相應壓電元件上。
7.根據權利要求6所述的超聲電機驅動方法，其特徵在於所述的步驟A中，所述多相電源為三相電源，所述三相電源的輸出為三相相位互差120°的交流正弦電壓、交流方波電壓或通過PWM方式調製的交流脈衝電壓。
8.根據權利要求7所述的超聲電機驅動方法，其特徵在於所述的三相電壓可以通過三相全橋或半橋電路逆變取得，或通過三個單相電源以Y或Δ連接方式取得。
9.根據權利要求6所述的超聲電機驅動方法，其特徵在於所述的步驟B中，所述多相電源中相鄰相位電壓順次施加於相鄰壓電元件上。
10.根據權利要求6所述的超聲電機驅動方法，其特徵在於所述的步驟B中，所述超聲電機中壓電元件的數量為3或3的整數倍。
11.根據權利要求6-10中任意一項所述的超聲電機驅動方法，其特徵在於所述的步驟A中，多相電源採用相位互差120°的交變電壓或電流的三相三線電壓系統；所述的步驟B中，其中三相電壓依次施加在各壓電元件的正極上。
12.根據權利要求6-10中任意一項所述的超聲電機驅動方法，其特徵在於所述的步驟A中，多相電源為相位互差120°的交變電壓或電流的三相四線電壓系統；所述的步驟B中，其中三相電壓依次施加在各壓電元件的正極上，零線則施加在各壓電元件的負極上。
13.根據權利要求12所述的超聲電機驅動方法，其特徵在於所述的步驟B中，所述各壓電元件的負極與超聲電機的金屬殼體短接，則所述零線直接連接至金屬殼體上。
14.根據權利要求6-10中任意一項所述的超聲電機驅動方法，其特徵在於所述的步驟A中，多相電源為三組相位互差120°的交變電壓的三單相電壓系統，所述的步驟B中，其中各單相電壓的正、負極依次施加在各壓電元件的正、負極上。
全文摘要
一種涉及電機的超聲電機及其驅動方法，該超聲電機包括電機本體，電機本體包括轉子和定子，所述的定子上貼有壓電元件，其特徵在於壓電元件的數目為m或m的整數倍，其中，m為大於2的素數；壓電元件的數量為3或3的整數倍；壓電元件均勻對稱分布於定子上；壓電元件的極化方向相對於貼置表面一致，其驅動方法為A.獲取多相電源，所述多相電源為M相相位互差2π/M的電源，其中M為大於2的整數，B.多相電源中各相位電壓依次施加於超聲電機中的相應壓電元件上；所述多相電源為三相電源，所述三相電源的輸出為三相相位互差120°的交流正弦電壓、交流方波電壓或通過脈寬調製方式調製的交流脈衝電壓；本發明輸出力矩穩定，諧波幹擾小。
文檔編號H02N2/10GK1874134SQ20061003507
公開日2006年12月6日 申請日期2006年4月14日 優先權日2006年4月14日
發明者李毅, 周松河 申請人:博立碼傑通訊(深圳)有限公司