CN105634329B - 一种耐冲击耐高旋型超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐冲击耐高旋型超声电机，其定子包括驱动柱以及两个定子环，定子环的端面上具有齿形结构。两个定子环分别套在驱动柱的两端上，每个定子环分别通过四根横幅与驱动柱固定，四根横幅沿驱动柱圆周均匀分布且垂直驱动柱表面。驱动柱的中间位置设置有夹心式压电换能器，夹心式压电换能器的A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号，使得定子环产生两个空间相差π/2的面外弯曲工作模态，两个面外弯曲工作模态叠加后使定子环的驱动端面上产生椭圆运动，经摩擦作用推动转子运动。该结构的超声电机具有耐冲击性能好，以及在高速旋转使用环境下离心力较小的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐冲击耐高旋型超声电机，属超声电机领域。
背景技术
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，依靠摩擦力驱动的新型作动器。旋转型超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有大转矩质量比、快速响应、精密定位和无电磁干扰等优点，在生物医疗、精密驱动、光学器件以及航空航天等领域具有广泛的应用前景。检索现有的超声电机专利发现，在冲击的情况下，由于其定转子接触面的特点，会使输出性能变得不稳定。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种耐冲击耐高旋型超声电机，具有适合于复杂运行工况的特点。
技术方案：一种耐冲击耐高旋型超声电机，包括定子和转子；所述定子包括驱动柱以及两个定子环，定子环的端面上具有齿形结构；所述两个定子环分别套在驱动柱的两端上，每个定子环分别通过四根横幅与驱动柱固定，四根横幅沿驱动柱圆周均匀分布且垂直驱动柱表面；所述驱动柱的中间位置设置有夹心式压电换能器，所述夹心式压电换能器的A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号。
进一步的，所述夹心式压电换能器包括平行设置的四片压电陶瓷，每片压电陶瓷均为左右两半极化方向相反的结构；其中，相邻的第一片压电陶瓷和第二片压电陶瓷如朗之万式排列并构成A相，相邻的第三片压电陶瓷和第四片压电陶瓷如朗之万式排列并构成B相，A相和B相的压电陶瓷相互正交，正交所形成的十字与驱动柱端部的四根横幅所在直线所形成的十字重合。
有益效果：本发明的一种耐冲击耐高旋型超声电机，采用夹心式压电换能器驱动，压电元件集中在驱动轴中间位置，耐冲击性能好；同时，在高速旋转使用环境下，压电原件的离心力较小，不易发生破坏。
此外，由驱动柱激发的双齿面定子弯曲振动，双面输出动力，驱动效率高；经有限元计算，其弯振模态易于激发定子金属圆环的面外弯曲振动，并且模态频率较低，谐波响应计算的振幅较高，有助于提高电机的输出转速和扭矩。
附图说明
图1为定子的整体结构示意图；
图2为机定子结构转配示意图；
图3为冲击耐高旋型超声电机整体结构示意图；
图4为定子驱动柱在x-z面内做弯曲振动原理示意图；
图5为定子环的面外弯曲振动模态示意图；
图6为定子A型模态仿真示意图；
图7为定子B型模态仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种耐冲击耐高旋型超声电机，包括定子和转子。定子结构如图1所示，包括驱动柱1以及两个定子环2，定子环的端面上具有齿形结构。两个定子环2分别套在驱动柱1的两端上，每个定子环分别通过四根横幅3与驱动柱1固定，四根横幅3沿驱动柱1圆周均匀分布且垂直驱动柱1表面。
如图2所示，驱动柱1的中间位置设置有夹心式压电换能器4，夹心式压电换能器4包括平行设置的四片压电陶瓷，相邻的压电陶瓷之间以及两端设有电极片5，整个驱动柱由紧固螺栓6装配并向四片压电陶瓷施加预紧力。其中，每片压电陶瓷均为左右两半极化方向相反的结构，相邻的第一片压电陶瓷51和第二片压电陶瓷52如朗之万式排列并构成A相，相邻的第三片压电陶瓷53和第四片压电陶瓷54如朗之万式排列并构成B相，A相和B相的压电陶瓷相互正交，正交所形成的十字与驱动柱1端部的四根横幅3所在直线所形成的十字重合。夹心式压电换能器的A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号。
如图3所示，两个端面同样为齿形结构的圆环型转子6分别与一个定子环2啮合，两个转子固定在传动轴7上。定子和转子结构外设有罩壳8，定子部分通过支架9固定在罩壳8上，传动轴7与罩壳8之间设有轴承10。
如图4所示，该耐冲击耐高旋型超声电机中，夹心式压电换能器4的A相和B相施加激励信号后，由于压电效应驱动柱1会产生局部弯振模态，然后通过横辐传递模态来激发定子环2的面外弯曲振动模态，如图5所示。以图中所示的驱动柱中心点为原点建立坐标系，当驱动柱1在x-z面内做弯曲振动时，振动能量通过在x-z面内的一对横辐传递至定子环2，此时定子环的面外弯曲振动模态定义为A型模态；同理，当驱动柱1在y-z面内做弯曲振动时，振动能量通过在y-z面内另一对横辐传递至定子环2，此时定子环的面外弯曲振动模态定义为B型模态；A型模态和B型模态为同型正交的两组面外弯曲振动模态。
当A相和B相同时施加相位差为π/2的正弦激励信号时，会同时激发驱动柱1在x-z面和y-z面两个正交的弯振模态，由于这两个模态在空间相位上相差π/2，因此两个弯振模态叠加后使驱动柱的端面产生椭圆运动。分解来看，两个弯振模态均通过对应的一组横辐传递至定子环2，由于结构的对称性，相邻的两根横辐的模态为同型同频模态，但振型在周向上相差π/4弯曲波波长，即在空间相位上相差π/2；在施加A相激励信号E1＝V sin(ωt)，并同时施加B相激励信号E2＝-V sin(ωt)时，A型模态和B型模态叠加，使定子环齿形端面产生面内行波运动，经摩擦作用推动转子转动。
转子转动的正、反方向可由A、B两相正弦信号的相位差确定，即π/2相位差使电机动子正向运动、－π/2相位差使电机动子反向运动。如图6为定子A型模态仿真示意图，如图7为定子B型模态仿真示意图。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种耐冲击耐高旋型超声电机，其特征在于：包括定子和转子；所述定子包括驱动柱以及两个定子环，定子环的端面上具有齿形结构；所述两个定子环分别套在驱动柱的两端上，每个定子环分别通过四根横幅与驱动柱固定，四根横幅沿驱动柱圆周均匀分布且垂直驱动柱表面；所述驱动柱的中间位置设置有夹心式压电换能器，所述夹心式压电换能器的A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号。
2.根据权利要求1所述的耐冲击耐高旋型超声电机，其特征在于：所述夹心式压电换能器包括平行设置的四片压电陶瓷，每片压电陶瓷均为左右两半极化方向相反的结构；其中，相邻的第一片压电陶瓷和第二片压电陶瓷如朗之万式排列并构成A相，相邻的第三片压电陶瓷和第四片压电陶瓷如朗之万式排列并构成B相，A相和B相的压电陶瓷相互正交，正交所形成的十字与驱动柱端部的四根横幅所在直线所形成的十字重合。
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