CN101707444A - 一种面内行波型旋转超声电机及控制方法 - Google Patents

一种面内行波型旋转超声电机及控制方法 Download PDF

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金家楣
钱富
王寅
泮振锋
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Abstract

本发明公布了一种面内行波型旋转超声电机及控制方法，所述超声电机由定子组件和转子组件组成。定子组件为头部设计成圆环形的矩形夹心式振子，振子内通过螺栓紧固两组起不同激励作用的压电陶瓷。转子组件为两个锥形转子，分别压在定子圆环的两个内侧，并由弹簧提供三者之间所需的预压力。所述控制方法如下：在两组压电陶瓷上施加特定的电压驱动信号，可激励出圆环的两个特定的振动模态，叠加成沿圆环周向行进的面内弯曲行波，从而使圆环内壁质点产生微幅的椭圆运动。依靠圆环内壁行波波峰区域与锥形转子的摩擦作用，即可驱动锥形转子旋转。本发明采用双转子结构，结构简单、紧凑，无需轴承和润滑剂，适于真空环境使用。

Description

一种面内行波型旋转超声电机及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种面内行波型旋转超声电机及控制方法，属旋转超声电机及方法的技术领域。
背景技术：
超声电机是一种利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子的回转或直线运动的新型电机。其中，现有面内行波超声电机采用两种基本激励方式：一种是利用粘贴在圆环外圆柱面上的多片压电陶瓷片激发圆环的面内行波，通常需要在圆环外侧铣出多个平面，破坏了圆环的轴对称性，对行波的形成不利，同时结构也很复杂，不利于加工；另一种是利用多个相同的纵向振动的振子激发圆环的面内行波，结构复杂，且各个振子的安装和本身的一致性很难保证。本发明的面内行波超声电机，采用单个振子激发圆环的面内行波，结构简单、紧凑，易于加工和微、小型化。同时，由于两个发热区域(压电陶瓷单元和摩擦界面)相距较远，有利于热平衡，且无需轴承和润滑剂，适于真空环境使用。在机器人和空间探测方面具有广泛应用前景。
发明内容：
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷提出一种面内行波型旋转超声电机及控制方法，具有结构简单、紧凑，易于加工和微、小型化的特点，适用于机器人和空间探测装备上的应用。
本专利所采用的技术原理及方案是：
一种面内行波型旋转超声电机，由同转轴连接的定子组件和转子组件构成，其特征在于：所述定子组件由上至下依次设置连接圆环的上振子、第一纵振压电陶瓷电极片、第一纵振压电陶瓷、第二纵振压电陶瓷电极片、第二纵振压电陶瓷、限位杆、第一弯振压电陶瓷、弯振压电陶瓷电极片、第二弯振压电陶瓷和下振子，所述定子组件通过内部螺栓固定；所述转子组件由设置于圆环形上振子的圆环两侧的两个同转轴连接的锥形转子以及螺母和弹簧构成，螺母设置于第二锥形转子侧的转轴上，第二锥形转子与螺母之间设置弹簧，所述弹簧提供两个锥形转子与圆环之间的预压力。
所述的一种面内行波型旋转超声电机的控制方法，其特征在于：经纵振压电陶瓷电极片输入电压驱动信号驱动纵振压电陶瓷产生微幅振动，所述微幅振动激励出圆环的面内弯曲振动模态；经弯振压电陶瓷电极片输入驱动电信号驱动弯振压电陶瓷产生超声振动，所述超声振动激励出圆环另一个面内弯曲振动模态，这两个面内弯曲振动模态叠加成沿圆环行进的面内弯曲行波，面内弯曲行波使圆环形上振子的圆环内壁的每一个质点进行微幅椭圆运动，处于面内弯曲行波波峰处的质点与两个锥形转子接触并产生摩擦作用驱动两个锥形转子旋转，所述纵振模态和弯振模态频率相同且在时间上具有π/2相位差。
本发明的有益效果是：该种旋转超声电机利用单个振子激发定子圆环的面内行波，结构简单紧凑，易于微、小型化，特别适用于机器人的关节驱动；双转子结构，无润滑剂，有利在真空环境中使用；电机中的两个热源(压电陶瓷片和摩擦界面)间的距离较大，这对于热平衡，缓减热应力都有好处，对空间探测等散热条件较差的情况有一定意义.定子加工可由普通线切割方法完成，除了两个转子锥面的同心度要求较高，没有其他苛刻的制造精度要求，具有一定推广价值.
附图说明：
图1是本超声电机的定子结构示意图。
图2是本超声电机的整体结构示意图。
图3是本超声电机的电压驱动信号输入端及振型示意图。
图4是本超声电机的摩擦驱动原理图。
图1中(a)为定子的前视图，(b)为立体图，(c)为两组压电陶瓷的结构图。图1中标号及符号名称：1上振子，2限位杆，3下振子，4纵振压电陶瓷，5弯振压电陶瓷，6垫片，7螺栓，8纵振压电陶瓷电极片，9弯振压电陶瓷电极片。
图2中(a)为超声电机的侧视图，(b)为立体图。图2中标号及符号名称：10带锥形转子的轴，11锥形转子，12螺母，13弹簧，14垫片。
图3中(a)为电压驱动信号的输入端，(b)为定子的纵振振型，(c)为定子的弯振振型。图3中标号及符号名称：15、16为纵振压电陶瓷的驱动信号输入端，17、18弯振压电陶瓷的驱动信号输入端，19纵振时矩形振子部分的振型，20纵振时定子圆环部分的振型，21弯振时矩形振子部分的振型，22弯振时定子圆环部分的振型。
图4中标号及符号名称：23质点运动轨迹，24接触区域。
工作原理及实施方式：
下面结合附图具体说明本旋转式超声电机的具体实施方式。
本发明的面内行波旋转超声电机由定子组件和转子组件构成，如图1和图2所示。所述定子组件由1上振子、2限位杆、3下振子、4纵振压电陶瓷、5弯振压电陶瓷、6垫片、7螺栓、8纵振电极瓷片和9弯振电极片组成。上振子的头部直接设计成圆环形状，如图所示，两组压电陶瓷4和5、2限位杆(用于限制电机定子绕转子轴的转动)，电极片8和9通过7螺栓的作用压在上下两振子1和3内。纵振压电陶瓷由两个具有一个电极分区的陶瓷片和两个电极片组成，其在定子中的布局如图1(c)中的上部分；弯振压电陶瓷组由两个具有两个电极分区的陶瓷片和一个电极片组成，其在定子中的布局如图1(c)中的下部分。所述转子组件由11带锥形转子的轴，12锥形转子，13螺母，14弹簧和15垫片组成。11带锥形转子的轴是一根中间加工成圆锥台末端带螺纹的轴，12锥形转子是一个通孔的圆锥台。12锥形转子***11带锥形转子的轴内，且分别夹在1定子环的两侧，通过13螺母挤压14弹簧，提供两圆锥台与1定子环之间的预压力，定、转子间预压力是轴向弹簧力在径向的分量。
定子的工作模态设定为圆环上两个正交的同频同型的n阶面内弯曲振动模态，这里仅以三阶弯振模态为例。定子环的B03模态(B表示弯曲振动；第一个下标表示弯曲振动的节圆数；第二个下标表示弯曲振动的节径数)，振子纵振陶瓷片通电时，定子呈现如下振型：振子部分的纵向振动呈现出形如图20所示的L2模态，具有两个节点，此时振子与圆环连接处的纵向振动激发圆环形如图21所示的B03模态，它的一个波峰位于连接处；振子弯振陶瓷片通电时，振子部分的弯曲振动呈现出B4模态，如图中的22，具有四个节点，此时通过连接处的扭转振动可以激发圆环形的B03模态，如图23所示，它的一个节点位于圆环与振子的连接处。定子圆环部分的由纵振压电陶瓷片和弯振陶瓷片分别激发的两个B03模态，在空间上具有π/2的相位差，即相差1/4弯曲波波长。
这两个模态在空间上相差π/2相位，在时间上π/2的相位差通过在纵振和弯振压电陶瓷上分别施加同频率的正弦和余弦电压驱动信号来实现，在图3(a)中，驱动信号供给方式如下，16.E＝0；17.E＝Vcos(ωt)；18.E＝Vsin(ωt)；19.E＝-Vsin(ωt)。其中：V为电压值，ω为模态频率，t为时间。
这样这两个模态就可以叠加成沿圆环行进的3阶面内弯曲行波。当行波在圆环上传播时，将使圆环发生弹性变形，圆环内壁上的质点将沿着一个椭圆轨迹进行运动，如图4中的23所示。定子圆环两侧压有两个锥形转子，圆环内壁上处于行波波峰处的区域将与转子接触，沿圆周与转子一共有三个接触区域，如图4中的24所示，随着波的行进，三个接触区域也在不断的行进，呈现出连续接触的工作方式。依靠圆环内壁质点的椭圆运动及行波波峰区域与锥形转子的摩擦作用，即可驱动锥形转子旋转。
为使激励效果稳定及振幅最大化，用于激励振子纵振的压电陶瓷安排在纵振节面处，用于激励振子弯振的压电陶瓷片安排在弯振波峰处。

Claims (2)

1.一种面内行波型旋转超声电机，由定子组件和转子组件构成，其特征在于：所述定子组件由上至下依次设置连接圆环的上振子(1)、第一纵振压电陶瓷电极片、第一纵振压电陶瓷、第二纵振压电陶瓷电极片、第二纵振压电陶瓷、限位杆(2)、第一弯振压电陶瓷、弯振压电陶瓷电极片(9)、第二弯振压电陶瓷和下振子(3)，所述定子组件通过内部螺栓固定；所述转子组件由设置于圆环两侧的两个同转轴连接的锥形转子(10、11)以及螺母(12)和弹簧(13)构成，螺母(12)设置于第二锥形转子(11)侧的转轴上，第二锥形转子(11)与螺母(12)之间设置弹簧(13)，所述弹簧(13)提供两个锥形转子(10、11)与圆环之间的预压力。
2.一种基于权利要求1所述的一种面内行波型旋转超声电机的控制方法，其特征在于：经纵振压电陶瓷电极片输入电压驱动信号驱动纵振压电陶瓷产生微幅振动，所述微幅振动激励出上振子(1)的纵振模态(19)，同时，使定子圆环部分产生面内弯曲模态(20)；经弯振压电陶瓷电极片输入驱动电信号驱动弯振压电陶瓷产生超声振动，所述超声振动激励出上振子(1)的弯振模态(21)，同时，使定子圆环部分产生面内弯曲模态(22)；定子圆环部分的两个面内弯曲振动模态(20)和(22)叠加成沿圆环行进的面内弯曲行波，面内弯曲行波使圆环内壁的每一个质点进行微幅椭圆运动，处于面内弯曲行波波峰处的质点与两个锥形转子(10、11)接触并产生摩擦作用驱动两个锥形转子(10、11)旋转，所述纵振模态和弯振模态频率相同且在时间上具有π/2相位差。
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