[發(fā)明專利]無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及工作模態(tài)和電激勵(lì)方式

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710020961.9
• 申請日: 2007-04-05
• 公開（公告）號(hào): CN101072001A
• 公開（公告）日: 2007-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙淳生;金家楣
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): H02N2/16
• 分類號(hào): H02N2/16;H02N2/14
• 代理公司: 南京蘇高專利事務(wù)所
• 代理人: 闕如生

一、技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明的無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及工作模態(tài)和電激勵(lì)方式，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。

二、背景技術(shù)：

超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型動(dòng)力輸出裝置。其中，無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)屬于超聲電機(jī)的一種。目前，旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)可分為駐波型和行波型：駐波型以單相電源激勵(lì)和定、轉(zhuǎn)子間歇接觸為主要特征；行波型以2相電源激勵(lì)和定、轉(zhuǎn)子間不間斷接觸為主要特征。比較而言，行波型力矩潛力較大、性能相對較穩(wěn)定。但是，現(xiàn)有行波型旋轉(zhuǎn)電機(jī)多采用圓形板或環(huán)行板上2個(gè)正交的同頻同形彎曲振動(dòng)模態(tài)作為工作模態(tài)，其用于驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的表面質(zhì)點(diǎn)的周向位移來源于定子中性層的彎曲行波在偏離中性層的表面上的周向變形。這個(gè)變形隨表面偏離中性層的距離的增大而增大，由于太厚的板會(huì)導(dǎo)致彎曲振動(dòng)頻率增高，振幅降低。通常情況下圓板或環(huán)行板上設(shè)置有均布的齒，以滿足表面質(zhì)點(diǎn)一定的周向位移的同時(shí)盡可能不減小彎振振幅，當(dāng)然這就使得行波型超聲電機(jī)的連續(xù)接觸的優(yōu)點(diǎn)遭到一定程度的破壞。同時(shí)，在圓形或環(huán)形板上設(shè)置齒也增加了機(jī)械加工的成本。

三、發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明的目的在于研制一種結(jié)構(gòu)簡單、大力矩、效率高、響應(yīng)速度快、應(yīng)用范圍更廣的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)超聲電機(jī)。

本發(fā)明的無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)。包括定子、轉(zhuǎn)子和壓電陶瓷。其特點(diǎn)是：所述定子為環(huán)形夾心式結(jié)構(gòu)：兩片壓電陶瓷被夾持在兩個(gè)環(huán)行定子之間，電極片夾持在兩片壓電陶瓷之間；所述轉(zhuǎn)子由環(huán)形轉(zhuǎn)子I和環(huán)形轉(zhuǎn)子II所組成，其中，轉(zhuǎn)子I上的連接機(jī)構(gòu)裝入環(huán)形定子內(nèi)腔中，其工作面壓在定子的一個(gè)端面上，轉(zhuǎn)子II通過螺紋與轉(zhuǎn)子I的連接機(jī)構(gòu)相連，其工作面壓在定子的另一個(gè)端面上。通過螺紋的緊固使轉(zhuǎn)子I和轉(zhuǎn)子II上連接工作面的腹板產(chǎn)生彈性變形，提供定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的工作模態(tài)的特點(diǎn)：采用定子2個(gè)同頻同形面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)作為工作模態(tài)，在工作模態(tài)下由于泊松效應(yīng)，定子產(chǎn)生軸向變形，為定子兩個(gè)端面上的質(zhì)點(diǎn)提供軸向位移。無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的電激勵(lì)方式的特點(diǎn)：用相位差為π/2或—π/2的兩個(gè)正弦信號(hào)經(jīng)壓電陶瓷同時(shí)激勵(lì)定子在空間上相差π/2的同形面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)，使定子端面上產(chǎn)生行波的同時(shí)，其與轉(zhuǎn)子工作面相接觸的表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，經(jīng)摩擦推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

本發(fā)明的無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)表面質(zhì)點(diǎn)的周向位移來源于其在周向的面內(nèi)振動(dòng)，不需要在端面上設(shè)置齒來放大周向振幅，2個(gè)同頻同形面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)作為工作模態(tài)，用2個(gè)在時(shí)間上具有π/2相位差的正弦信號(hào)激勵(lì)，可產(chǎn)生2個(gè)端面上表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)壓在其上的轉(zhuǎn)子沿周向轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、力矩大、轉(zhuǎn)速大、機(jī)械加工成本較低，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

四、附圖說明：

圖1.無齒行波旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)名稱：1、轉(zhuǎn)子I；2、環(huán)形定子I；3、壓電陶瓷；4、環(huán)形定子II；5、轉(zhuǎn)子II；6、電極片。

圖2.定子面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)。

圖中標(biāo)號(hào)名稱：7、9、面內(nèi)振動(dòng)時(shí)定子端面無周向位移的直徑；8、定子振動(dòng)時(shí)定子端面質(zhì)點(diǎn)周向位移方向。

圖3.定子面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)下定子軸向泊松效應(yīng)。

圖中標(biāo)號(hào)名稱：10、與圖2所示的直徑7相交的定子外圓柱面上的一條母線；11、與圖2所示的直徑9相交的定子外圓柱面上的一條母線。

圖4.壓電陶瓷電極分區(qū)示意圖。

圖中標(biāo)號(hào)名稱：12、13、用于激發(fā)定子面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)I的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端；14、15、用于激發(fā)定子面內(nèi)振動(dòng)模態(tài)II的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端。

圖5.模態(tài)I與模態(tài)II相差π/2時(shí)定子端面行波運(yùn)動(dòng)方向及端面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖中標(biāo)號(hào)名稱：16、定子端面行波運(yùn)動(dòng)方向；17、定子端面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖6.模態(tài)I與模態(tài)II相差—π/2時(shí)定子端面行波運(yùn)動(dòng)方向及端面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖中標(biāo)號(hào)名稱：16、定子端面行波運(yùn)動(dòng)方向；17、定子端面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。

五、具體實(shí)施方式：