CN101162877A - 圆环形多自由度超声电机及电激励方法 - Google Patents
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Abstract
一种圆环形多自由度超声电机及电激励方法，属超声电机领域。该超声电机包括转子和定子，其特点是转子为球形转子(1)；定子为一个金属圆环(2)，圆环定子侧面均布粘贴六片压电陶瓷片(3)；圆环定子的上端面有三个沿周向均布的上凸台(4)，而且与粘贴陶瓷片的平台(6)在同一位置，用于支撑、驱动球形转子；转子通过其自重提供定、转子间所需的预压力；圆环定子的下端面也有三个与上凸台(4)位置相对应的小凸台(5)，用于支撑整个电机。当驱动信号给任意相对的两片压电陶瓷片(3)供电时，会激励出定子的面内二弯振动模态，产生驻波，驱动球形转子绕过转子球心且与两压电陶瓷片平行的轴线转动。该超声电机可实现绕多个转动轴的转动，具有结构简单、易于小型化、效率高、工作可靠等优点。
Description
技术领域：
本发明的圆环形多自由度超声电机及电激励方法，属超声电机领域。
背景技术：
超声电机是利用压电材料的逆压电效应和弹性体的超声振动的一种新概念动力装置。目前，多自由度超声电机多为杆式定子和球形转子结构，杆式定子利用两个弯振和一个纵振配合实现转子的三个转动轴的旋转。实际中，弯振的频率与纵振的频率难以一致，但电机的驱动频率只能是一个，这样电机的驱动效率就会较低，电机输出性能受到影响。此外，由于杆式多自由度电机利用了二弯振动模态和纵振模态，以及定子装配尺寸的限制，其轴向尺寸难以减小，不利于小型化，应用范围因此受到限制。
发明内容：
本发明的目的在于研制一种结构简单、易于小型化、效率高、工作可靠、响应速度快、应用范围更广的多自由度超声电机。
本发明的圆环形多自由度超声电机，由转子和定子构成。其特点是转子为球形转子。定子为一个金属圆环，圆环定子侧面均布粘贴六片压电陶瓷片，其中相对的两片压电陶瓷片平行对齐。圆环定子的上端面有三个上凸台，它们是沿周向均布的，而且上凸台与其中的三个粘贴陶瓷片的平台在同一位置，用于支撑、驱动球形转子。在圆环定子的下端面，与上凸台相对应的相同的位置上，有三个小凸台，其作用为支撑整个电机。转子通过其自重提供定、转子间所需的预压力。
粘贴陶瓷片的平台数、压电陶瓷片数为上凸台或下凸台数目n的2倍。n可以取值3或5。
当驱动信号给任意相对的两片压电陶瓷片供电时，会激励定子的面内二弯振动模态，产生驻波，这时其中的一个上凸台对球形转子有一摩擦推力作用，驱动球形转子绕过转子球心且与这两片压电陶瓷片平行的轴线转动。
圆环形多自由度超声电机除具有超声电机的一般特点外，由于采用圆环形定子，其结构简单，易于小型化；采用的工作模态为面内二弯振动模态，利用的是单一振动模态，不存在复合振动模态多自由度电机的两相模态频率不一致的问题，工作效率高；电机由三路正弦信号激励，驱动电路简单，可实现转子绕多个转动轴的转动。
附图说明：
图1是圆环形多自由度超声电机结构示意图。
图2是圆环形多自由度超声电机定子结构，压电陶瓷片极化及粘贴方式示意图。
图3是激励圆环定子产生面内二弯振动模态的驱动信号示意图。
图4只有信号输入端7接入驱动信号，定子一个周期内的振动示意图。其中图(I)、图(II)、图(III)、图(IV)为定子一周期内的4个状态示意图。
图1、图2中标号名称：1球形转子，2圆环定子，3压电陶瓷片，4上凸台，5下凸台，6粘贴压电陶瓷片的平台。
图3中标号名称：7、8、9定子驱动信号输入端。
图4中标号名称：X、Y，X1、Y1，X2、Y2为直角坐标。
具体实施方式：
根据附图叙述本发明的具体实施方式和工作原理。
如图1所示，本发明的圆环形多自由度超声电机，主要由转子和定子构成。转子为球形转子1；定子为一个金属圆环2，其侧面均布粘贴六片压电陶瓷片3，其中相对的两片压电陶瓷片平行对齐；圆环定子的上端面有三个上凸台4，它们是沿周向均布的，而且上凸台与其中三个粘贴压电陶瓷片的平台6在同一位置，用于支撑、驱动球形转子；转子通过其自重提供定、转子间所需的预压力；圆环定子的下端面也有三个小凸台5，它们的位置与上凸台4位置相同，其用于支撑整个电机。图2所示的“+”表示压电陶瓷片3的极化方向，所有压电陶瓷片的粘贴方式都一样，“+”朝外粘贴。
本发明利用压电陶瓷元件来激励定子的面内二弯振动模态，产生驻波，推动转子转动。当超声频率的驱动信号给任意相对的两片压电陶瓷片供电时，圆环定子就会变形产生驻波，这时其中的一个上凸台对球形转子有一摩擦推力作用，驱动球形转子绕过转子球心且与这两片压电陶瓷片平行的轴线转动。分别激励三组相对的压电陶瓷片，驱使转子绕三个转动轴转动。
1)球形转子绕过转子球心并与Y轴平行的轴转动
如图3所示，当只给信号输入端7提供驱动信号E＝Vsin(ωt)或E＝Vcos(ωt)，会激励定子的面内二弯振动模态，产生驻波，推动球形转子绕过转子球心并与Y轴平行的轴转动。
图4是当只对信号输入端7提供驱动信号E＝Vsin(ωt)时，圆环形定子在一个周期内的4个状态。图4(I)为对信号输入端7输入电压为0时定子的状态，这时定子没有变形。图4(II)为对信号输入端7输入电压为V时定子的状态，定子沿X方向变形收缩，上凸台4a(见图3)对球形转子有一个切向力的作用，推动转子绕过转子球心并与Y轴平行的轴转动。图4(III)为对信号输入端7输入电压为0时定子的状态，这时定子没有变形。图4(IV)为对信号输入端7输入电压为-V时定子的状态，此时定子沿X方向变形伸长。经过一个正弦激励周期，球形转子已绕过转子球心并与Y轴平行的轴转动了一个角度，如此重复，可使转子绕转动轴持续转动。
2)球形转子绕过转子球心并与Y1轴平行的轴转动
如图3所示，当只给信号输入端8提供驱动信号E＝Vsin(ωt)或E＝Vcos(ωt)，会激励定子的面内二弯振动模态，产生驻波，推动球形转子绕过转子球心并与Y1轴平行的轴转动。
3)球形转子绕过转子球心并与Y2轴平行的轴转动
如图3所示，当只给信号输入端9提供驱动信号E＝Vsin(ωt)或E＝Vcos(ωt)，会激励定子的面内二弯振动模态，产生驻波，推动球形转子绕过转子球心并与Y2轴平行的轴转动。
Claims (3)
1.一种圆环形多自由度超声电机，包括定子和转子，其特征在于：所述的转子为球形转子(1)；所述的定子为一圆环(2)，六片压电陶瓷片(3)均布粘贴在定子侧面的六个平台(6)上，相对的两片压电陶瓷片相互平行；定子上端面有三个沿周向均布的上凸台(4)，而且上凸台(4)与其中三个粘贴压电陶瓷片的平台(6)在同一位置，用于支撑并驱动球形转子旋转；在定子的下端面，与上凸台(4)相对应的相同的位置上，有三个小凸台(5)，作用于支撑整个电机。
2.依据权利要求1所述的圆环形多自由度超声电机，其特征在于：粘贴压电陶瓷片的平台数、压电陶瓷片数为上凸台(4)数目n的2倍。n取值3或5。
3.一种如权利要求1所述的圆环形多自由度超声电机的电激励方法，其特征在于：当超声频率的驱动信号给任意相对的两片压电陶瓷片供电时，会激励定子的面内二弯振动模态，产生驻波，其中的一个上凸台(4)对球形转子(1)有一推力作用，驱动球形转子绕过转子球心且与这两压电陶瓷片平行的轴线转动。
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