一種基於非對稱波的非接觸超聲馬達的製作方法

2023-09-20 18:13:50

專利名稱：一種基於非對稱波的非接觸超聲馬達的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種超聲馬達。
背景技術：
超聲波馬達是利用壓電材料的逆壓電效應來激勵定子彈性體，從而產生超聲頻域 的機械振動，然後將彈性體的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合或媒質耦合，轉換成轉子 或滑塊的宏觀運動。它是一種涉及到材料學、壓電學、超聲學、摩擦學、振動力學等多學科領 域的典型的機電化一體的產品。超聲波馬達的基本構成主要有四部分，分別為高頻激勵電 源、定子、振幅放大機構和轉子或滑塊。高頻激勵電源大都為兩相和兩相以上，用以激勵不 同組的壓電陶瓷以合成定子表面具有一致旋轉方向的橢圓運動，定子由極化過的壓電體與 金屬彈性體組成，振幅放大機構一般與金屬彈性體做成一體，用以放大定子表面的振動幅 度。對於靠摩擦來驅動轉子的超聲波馬達來說，在轉子和定子的接觸面上一般都粘貼有摩 擦材料，以減小滑動摩擦增加輸出力矩，提高耐磨性。超聲波馬達的應用已經日漸廣泛，其微型化、智能化、多樣化的趨勢也日漸明顯， 但目前的超聲波馬達的驅動理論的研究仍然沒有太大進展，其工作原理主要是基於定子表 面旋向一致的橢圓運動的生成，在超聲波馬達的構造上也大都採用具有較高几何對稱性的 結構，如圓柱形、圓環形、圓盤形和圓筒形等。之所以採用較高對稱性的結構是因為目前的 振動理論認為在壓電振子上產生的機械振動波均為對稱波，生成和利用的模態為對稱模 態。這一認識導致了目前行波型馬達均需採用對稱結構，具有對稱結構的駐波馬達卻又需 要採用振動的組合來進行驅動的現狀。理論上來說，基於對稱波的超聲驅動理論限制了超 聲波馬達結構形狀的多樣化，局限了超聲波馬達設計者的思路。而實際的超聲波馬達有可 能會因為質量或剛度的分布不均而出現不對稱的振動波，目前關於不對稱波驅動作用的專 門研究國內外至今還尚無報導。對稱波與對稱的壓電結構當設計超聲波馬達時，我們首先需要明確的是該馬達要實現什麼功能，然後根據 功能的實現選擇超聲波馬達的工作原理和壓電振子的結構。對於基於行波驅動的超聲波馬 達，一般需要採用對稱性較高的結構來構造壓電振子，如圓盤形、圓環形或圓筒形等。這是 因為採用圓形結構容易獲得兩個同頻率的周向駐波。採用不同的壓電陶瓷組可以激發不同 的周向駐波，如果壓電陶瓷組之間間隔為四分之一波長、激勵電壓的相位差相差η 則會 同時激發出兩個周向駐波並且這兩個駐波沿著周向疊加會生成單方向傳播的行波。從振動 的角度來講，這兩個駐波分別相應於同一特徵頻率的兩個退化模態(degeneratemode)。這 兩個退化模態具有相同的特徵頻率和振型，只是因為壓電陶瓷的激勵位置的不同而使其出 現的位置不同。可以知道，正是行波馬達的驅動原理導致了我們目前的行波型馬達採用了對稱性 的結構，因為當我們採用對稱性較低的結構時，我們很難同時激發出頻率相同的駐波以疊 加生成行波。目前的行波型馬達在設計時都認為在振動體上產生的機械振動波為對稱波，即正弦波或餘弦波。這一認為與採用對稱性較高的壓電結構相輔相成。一般來說在對稱性 較高的壓電結構上產生的振動波為正弦波或餘弦波，而在對稱性較低的結構上將只會獲得 不對稱的機械振動波。對於駐波型的超聲波馬達，一般不採用單個駐波進行驅動，之所以不採用單個駐 波進行驅動的原因是我們對振動波的認識還局限於對稱波的範疇。我們知道，單一的對稱 駐波由于波腹或節線兩側驅動能力相反宏觀上對轉子不構成連續的驅動。這一認識導致了 目前的駐波型超聲波馬達均採用了多個或多種駐波疊加來形成連續的驅動。這樣駐波型超 聲波馬達既可以採用對稱性較高的結構也可以採用對稱性較低的結構。對於低對稱性結構 下的單一不對稱駐波是否具有驅動作用目前還沒有研究。不對稱波的分類我們所說的不對稱波是指與正弦波或餘弦波相區分的機械振動波。考慮到實際振 動的複雜性和周期性，我們以一個波長的機械振動波為研究對象，且這種機械振動波的波 形函數f(x)滿足如下條件僅當f(x) =0時廣(χ)=⑴。其波形特點是只在零線上出 現拐點。對於這類的不對稱機械振動波，其不對稱性可以從兩方面來看一類是波幅的不 對稱，見圖1，另一類是波形不對稱，見圖2。實際的不對稱振動波可能出現波幅不對稱，也可能出現波形不對稱，也有可能是 兩者的混合。由於歷史上認為在壓電振動體上生成的機械振動波均為對稱波，導致了行波型的 壓電超聲波馬達需要採用較高對稱性的結構，在馬達的設計思路上受到了限制，結構的構 造方面和馬達形狀方面也局限於圓環型、圓筒形、圓盤形等。在駐波型馬達的設計方面，也 必須採用多個駐波疊加才能生成振動體表面旋向一致的橢圓運動。

發明內容
本發明提供一種基於非對稱波的非接觸超聲馬達，以解決基於對稱波的超聲驅動 理論限制超聲波馬達結構形狀的多樣化、且結構複雜的問題。本發明採取的技術方案是定 子的兩端固定連接前蓋板和後蓋板，轉子軸與前蓋板和後蓋板轉動連接，2 20片轉子葉 片與轉子軸固定連接，轉子葉片與定子內壁保持非接觸狀態，轉子軸線處於定子軸線上，壓 電陶瓷與定子外壁固定連接，在壓電陶瓷和定子上分別引出連接電源的電極。本發明的調速既可以採用變頻方式調速也可以採用變壓方式調速，變頻調速方式 相比於變壓調速方式具有更高的調節精度，但可調頻段狹窄，這與馬達必須工作在諧振頻 率點附近有關；變壓調速方式具有寬廣的調速範圍，但調速精度較低。在一定頻率下的變壓 調速具有調速上限，調速上限依激勵頻率的不同而不同。不對稱波超聲非接觸驅動機理目前研製的非接觸超聲波驅動器都是建立在行波理論基礎上的，這類驅動器需將 振子彈性體激勵出行波，因而它至少需要兩路相位差為η/2的信號源，這使得驅動電路變 得複雜。本專利首次提出採用不對稱振動駐波驅動的非接觸超聲驅動機理。對稱駐波的聲輻射壓力如圖3所示，由於駐波作用在χ軸方向上的輻 射壓力是平衡的，其對於轉子不具有驅動力。根據Yosiwoka和Kawasima提出的聲輻射壓力理論，駐波場中細小微粒受到F2的沿χ方向的輻射力可表達為
F2s =-^R3kE2xAsin 2k[^-x\(1)其中R為聲場中細小微粒的半徑，k為波
JL v4 J_
數(k = 2Ji/X，λ為波長)，Ε&*聲場的平均能量密度(盡A)W，P。為理想狀態
氣體的密度，ω為超聲振動圓頻率，h為超聲振動幅度)，A為一常數，其表達式如下 (1)式中Ρ和Ρ 『分別為氣體和微粒的密度；Y和Y 『分別為氣體和微粒的壓 縮比。當A取正值時，聲場中的微粒將移向駐波的節點處。由於圖3中的駐波為一對稱駐 波，其在χ方向的推動力相互抵消，在宏觀上不能形成具有固定方向的驅動力。對稱的駐波宏觀上不具有驅動作用；而當一個駐波為不對稱的形式，且沿某一方 向推動力不能相互抵消時，這個駐波將在宏觀上表現為具有固定驅動方向的駐波，這種類 型的駐波可以用來為超聲波馬達提供驅動力。駐波的不對稱形式可以劃分為兩種類型，一類為波幅不對稱，另一類為波形不對 稱。對于波幅不對稱形式的振動波，由於聲輻射壓力在X軸上的投影仍然是平衡的，其不具 有連續的驅動能力，見圖4。而對于波形為不對稱形式的振動駐波，由於X軸上的聲輻射壓 力不能相互抵消，將在χ軸的方向上形成單方向的驅動力，見圖5。驅動力的大小和方向直接和波形不對稱係數有關。由(1)式可以看出，處於超聲 場中的微粒受到的力F OC h2f (X)，對於如圖5所示的單個振動波，由於h為超聲振動的平均 振幅，其宏觀上的驅動力大小直接與f(x)所表徵的波形的不對稱度係數的大小有關，其驅 動力的方向由波形不對稱度係數的正負決定，即有 其中B為一待定常數，其大小可以由實驗確定。不對稱波的提出與研究在壓電驅動理論中具有重要的意義。本發明的優點是結構新穎，不對稱的駐波具有連續的驅動作用，這樣駐波馬達的 設計原理可以進一步簡化，不需要同時激發多個或多種駐波來形成驅動，另一方面也可以 簡化電源的設計，使得駐波型馬達採用單相電源成為可能，還可以減少材料的耗費，只採用 一組壓電陶瓷材料即可，馬達的構造形式也可以多樣化。


圖1是波幅不對稱的圖；圖2是波形不對稱的圖；圖3是對稱駐波形成的聲輻射壓力圖；圖4是波幅不對稱駐波形成的聲輻射壓力圖；圖5是波形不對稱駐波形成的聲輻射壓力圖；圖6是本發明結構示意圖；圖7是圖6的左視圖；圖8是圖6的俯視圖。
具體實施例方式
定子3的兩端固定連接前蓋板1和後蓋板4，轉子軸6與前蓋板1和後蓋板4轉動 連接，2 20片轉子葉片與轉子軸固定連接，轉子葉片與定子內壁保持非接觸狀態，轉子軸 線處於定子軸線上，壓電陶瓷5與定子外壁固定連接，在壓電陶瓷和定子上分別引出連接 電源的電極。
權利要求
一種基於非對稱波的非接觸超聲馬達，其特徵在於定子的兩端固定連接前蓋板和後蓋板，轉子軸與前蓋板和後蓋板轉動連接，2～20片轉子葉片與轉子軸固定連接，轉子葉片與定子內壁保持非接觸狀態，轉子軸線處於定子軸線上，壓電陶瓷與定子外壁固定連接，在壓電陶瓷和定子上分別引出連接電源的電極。
全文摘要
本發明涉及一種基於非對稱波的非接觸超聲馬達，屬於一種超聲馬達。定子的兩端固定連接前蓋板和後蓋板，轉子軸與前蓋板和後蓋板轉動連接，2～20片轉子葉片與轉子軸固定連接，轉子葉片與定子內壁保持非接觸狀態，轉子軸線處於定子軸線上，壓電陶瓷與定子外壁固定連接，在壓電陶瓷和定子上分別引出連接電源的電極。優點是結構新穎，不對稱的駐波具有連續的驅動作用，這樣駐波馬達的設計原理可以進一步簡化，另一方面也可以簡化電源的設計，使得駐波型馬達採用單相電源成為可能，還可以減少材料的耗費，只採用一組壓電陶瓷材料即可，馬達的構造形式也可以多樣化。
文檔編號H02N2/00GK101895229SQ201010189360
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月2日 優先權日2010年6月2日
發明者曹建波, 朱喜林, 王冬雲, 賀新升, 鄂世舉, 韋強, 高春甫 申請人:浙江師範大學