CN101072001B

CN101072001B - 无齿行波旋转超声电机及工作模态和电激励方式

Info

Publication number: CN101072001B
Application number: CN2007100209619A
Authority: CN
Inventors: 赵淳生; 金家楣
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2027-04-05
Also published as: CN101072001A

Abstract

一种无齿行波旋转超声电机及工作模态和电激励方式，属超声电机。该电机包括：定子、转子及压电陶瓷。所述定子为两个环行定子(2、4)夹持压电陶瓷环(3)的夹心式结构，两个转子(1、5)压在定子的两个端面上。压电陶瓷(3)用于激发定子面内振动模态，同时由泊松效应使定子两个端面上的质点产生轴向位移。用相位差为π/2的两个正弦信号同时激励定子在空间上相差π/2的同形面内振动模态，使定子两个端面上产生行波的同时，其表面质点产生椭圆运动，经摩擦推动压在其上的转子转动。该超声电机结构简单、驱动效率高、力矩大、工作可靠、加工成本低。

Description

无齿行波旋转超声电机及工作模态和电激励方式

一、技术领域：

本发明的无齿行波旋转超声电机及工作模态和电激励方式，属超声电机领域。

二、背景技术：

超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。其中，无齿行波旋转超声电机属于超声电机的一种。目前，旋转超声电机可分为驻波型和行波型：驻波型以单相电源激励和定、转子间歇接触为主要特征；行波型以2相电源激励和定、转子间不间断接触为主要特征。比较而言，行波型力矩潜力较大、性能相对较稳定。但是，现有行波型旋转电机多采用圆形板或环行板上2个正交的同频同形弯曲振动模态作为工作模态，其用于驱动转子的表面质点的周向位移来源于定子中性层的弯曲行波在偏离中性层的表面上的周向变形。这个变形随表面偏离中性层的距离的增大而增大，由于太厚的板会导致弯曲振动频率增高，振幅降低。通常情况下圆板或环行板上设置有均布的齿，以满足表面质点一定的周向位移的同时尽可能不减小弯振振幅，当然这就使得行波型超声电机的连续接触的优点遭到一定程度的破坏。同时，在圆形或环形板上设置齿也增加了机械加工的成本。

三、发明内容：

本发明的目的在于研制一种结构简单、大力矩、效率高、响应速度快、应用范围更广的旋转运动超声电机。

本发明的无齿行波旋转超声电机。包括定子、转子和压电陶瓷。其特点是：所述定子为环形夹心式结构：两片压电陶瓷被夹持在两个环行定子之间，电极片夹持在两片压电陶瓷之间；所述转子由环形转子I和环形转子II所组成，其中，转子I上的连接机构装入环形定子内腔中，其工作面压在定子的一个端面上，转子II通过螺纹与转子I的连接机构相连，其工作面压在定子的另一个端面上。通过螺纹的紧固使转子I和转子II上连接工作面的腹板产生弹性变形，提供定、转子间的预压力。无齿行波旋转超声电机的工作模态的特点：采用定子2个同频同形面内振动模态作为工作模态，在工作模态下由于泊松效应，定子产生轴向变形，为定子两个端面上的质点提供轴向位移。无齿行波旋转超声电机的电激励方式的特点：用相位差为π/2或—π/2的两个正弦信号经压电陶瓷同时激励定子在空间上相差π/2的同形面内振动模态，使定子端面上产生行波的同时，其与转子工作面相接触的表面质点产生椭圆运动，经摩擦推动转子转动。

本发明的无齿行波旋转超声电机表面质点的周向位移来源于其在周向的面内振动，不需要在端面上设置齿来放大周向振幅，2个同频同形面内振动模态作为工作模态，用2个在时间上具有π/2相位差的正弦信号激励，可产生2个端面上表面质点的椭圆运动，推动压在其上的转子沿周向转动。这样构成的旋转超声电机结构简单、性能稳定、力矩大、转速大、机械加工成本较低，具有更广阔的应用前景。

四、附图说明：

图1.无齿行波旋转超声电机结构示意图。

图中标号名称：1、转子I；2、环形定子I；3、压电陶瓷；4、环形定子II；5、转子II；6、电极片。

图2.定子面内振动模态。

图中标号名称：7、9、面内振动时定子端面无周向位移的直径；8、定子振动时定子端面质点周向位移方向。

图3.定子面内振动模态下定子轴向泊松效应。

图中标号名称：10、与图2所示的直径7相交的定子外圆柱面上的一条母线；11、与图2所示的直径9相交的定子外圆柱面上的一条母线。

图4.压电陶瓷电极分区示意图。

图中标号名称：12、13、用于激发定子面内振动模态I的驱动信号输入端；14、15、用于激发定子面内振动模态II的驱动信号输入端。

图5.模态I与模态II相差π/2时定子端面行波运动方向及端面质点运动轨迹。

图中标号名称：16、定子端面行波运动方向；17、定子端面质点运动轨迹。

图6.模态I与模态II相差—π/2时定子端面行波运动方向及端面质点运动轨迹。

五、具体实施方式：

一种利用环行定子面内振动和由此产生的泊松效应而使得定子端面质点进行椭圆运动经摩擦推动压在其上的转子转动的无齿行波旋转超声电机如图1所示。其特点：定子是由2个环形定子2、4夹持2片8分区压电陶瓷3构成，2片压电陶瓷中间有电极片6；转子由转子I和转子II所组成，其中，转子I上的连接机构穿过环形定子内腔，其工作面压在定子的一个端面上，转子II通过螺纹与转子I的连接机构相连，其工作面压在定子的另一个端面上。通过螺纹的紧固使转子I和转子II上连接工作面的腹板产生弹性变形，提供定、转子间的预压力。电极片6用于输入驱动信号激发定子的2个同形面内振动模态，形成定子端面的行波，使定子端面质点产生椭圆运动，推动转子1、5运动。

如图4所示，在激发定子面内振动模态的驱动信号输入端12、13上分别施加电信号E₁＝V sin(ωt)和E₂＝-V sin(ωt)，可激发如图2所示的定子面内振动，同时由于泊松效应在定子轴向产生如图3所示的变形，形成振动模态I；在压电陶瓷14、15上分别施加电信号E₃＝V sin(ωt+π/2)和E₄＝-V sin(ωt+π/2)，可激发定子与图2所示的同形面内振动模态，同时使定子轴向产生与图3所示同形的变形，形成振动模态II。当4个信号(E₁、E₂、E₃、E₄)同时施加时，可形成如图5所示的振动模态I振动模态II的叠加，使定子端面上形成沿方向16行进的行波，同时使定子端面上的质点在定子周向和轴向的运动分量合成为椭圆运动17，端面质点的椭圆运动经摩擦推动压在其上的转子I和转子II转动。

同理，在图4所示的用于激发定子面内振动模态的驱动信号输入端12、13上分别施加电信号E₁＝V sin(ωt)和E₂＝-V sin(ωt)，可激发如图2所示的定子面内振动，同时由于泊松效应在定子轴向产生如图3所示的变形，形成振动模态I；在压电陶瓷14、15上分别施加电信号E₃＝V sin(ωt-π/2)和E₄＝-V sin(ωt-π/2)，可激发定子与图2所示的同形面内振动，同时使定子轴向产生与图3所示同形的变形，形成振动模态II。当4个信号(E₁、E₂、E₃、E₄)同时施加时，可形成如图6所示的振动模态I振动模态II的叠加，使定子端面上形成沿方向16行进的行波，同时使定子端面上的质点在定子周向和轴向的运动分量合成为椭圆运动17，端面质点的椭圆运动经摩擦推动压在其上的转子I和转子II转动。

该超声电机结构紧凑，有利于小型化；利用面内振动时端面质点的周向运动驱动转子，无需在定子上加工齿，加工成本低，有利于产业化；采用定子双端面驱动，力矩大；定、转子连续接触，驱动效率高、工作可靠。

结构设计原则：

1.定子设计时应避开其弯振模态或其它模态，2个定子环2、4使用相同材质、相同尺寸，使压电陶瓷有效激发定子面内振动模态。

2.2个分区数相同的压电陶瓷环3单向激化、分区相对反向安装，共用电极片6。定子、压电陶瓷和电极片用高强度粘贴剂固定在一起。

3.2个转子1、5与定子端面的接触面采用相同尺寸和相同表面性质，使定子端面质点对其作用一致。

Claims

1.一种无齿行波旋转超声电机，包括定子、转子和压电陶瓷，其特征在于，所述定子为环形夹心式结构：两片压电陶瓷被夹持在两个环形定子之间，电极片夹持在两片压电陶瓷之间；所述转子由第一转子和第二转子所组成，其中，第一转子上的连接机构穿过环形定子内腔，其工作面压在定子的一个端面上，第二转子通过螺纹与第一转子的连接机构相连，其工作面压在定子的另一个端面上，通过螺纹的紧固使第一转子和第二转子上连接工作面的腹板产生弹性变形，提供定子与转子间的预压力。

2.一种如权利要求1所述的无齿行波旋转超声电机的工作模态，其特征在于，采用定子2个同频同形面内振动模态作为工作模态；在工作模态下由于泊松效应，定子产生轴向变形，为定子两个端面上的质点提供轴向位移。

3.一种如权利要求1所述的无齿行波旋转超声电机的电激励方式，其特征在于，用相位差为π/2或-π/2的两个正弦信号经压电陶瓷同时激励定子在空间上相差π/2的同形面内振动模态，使定子端面上产生行波的同时，其与转子工作面相接触的表面质点产生椭圆运动，经摩擦推动转子转动。