[發明專利]圓環形多自由度超聲電機及電激勵方法

無效

• 申請號: 200710131438.3
• 申請日: 2007-08-30
• 公開（公告）號: CN101162877A
• 公開（公告）日: 2008-04-16
• 發明（設計）人: 趙淳生;張健滔;金家楣
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/12
• 分類號: H02N2/12
• 代理公司: 南京蘇高專利事務所
• 代理人: 闕如生

技術領域：

本發明的圓環形多自由度超聲電機及電激勵方法，屬超聲電機領域。

背景技術：

超聲電機是利用壓電材料的逆壓電效應和彈性體的超聲振動的一種新概念動力裝置。目前，多自由度超聲電機多為桿式定子和球形轉子結構，桿式定子利用兩個彎振和一個縱振配合實現轉子的三個轉動軸的旋轉。實際中，彎振的頻率與縱振的頻率難以一致，但電機的驅動頻率只能是一個，這樣電機的驅動效率就會較低，電機輸出性能受到影響。此外，由于桿式多自由度電機利用了二彎振動模態和縱振模態，以及定子裝配尺寸的限制，其軸向尺寸難以減小，不利于小型化，應用范圍因此受到限制。

發明內容：

本發明的目的在于研制一種結構簡單、易于小型化、效率高、工作可靠、響應速度快、應用范圍更廣的多自由度超聲電機。

本發明的圓環形多自由度超聲電機，由轉子和定子構成。其特點是轉子為球形轉子。定子為一個金屬圓環，圓環定子側面均布粘貼六片壓電陶瓷片，其中相對的兩片壓電陶瓷片平行對齊。圓環定子的上端面有三個上凸臺，它們是沿周向均布的，而且上凸臺與其中的三個粘貼陶瓷片的平臺在同一位置，用于支撐、驅動球形轉子。在圓環定子的下端面，與上凸臺相對應的相同的位置上，有三個小凸臺，其作用為支撐整個電機。轉子通過其自重提供定、轉子間所需的預壓力。

粘貼陶瓷片的平臺數、壓電陶瓷片數為上凸臺或下凸臺數目n的2倍。n可以取值3或5。

當驅動信號給任意相對的兩片壓電陶瓷片供電時，會激勵定子的面內二彎振動模態，產生駐波，這時其中的一個上凸臺對球形轉子有一摩擦推力作用，驅動球形轉子繞過轉子球心且與這兩片壓電陶瓷片平行的軸線轉動。

圓環形多自由度超聲電機除具有超聲電機的一般特點外，由于采用圓環形定子，其結構簡單，易于小型化；采用的工作模態為面內二彎振動模態，利用的是單一振動模態，不存在復合振動模態多自由度電機的兩相模態頻率不一致的問題，工作效率高；電機由三路正弦信號激勵，驅動電路簡單，可實現轉子繞多個轉動軸的轉動。

附圖說明：

圖1是圓環形多自由度超聲電機結構示意圖。

圖2是圓環形多自由度超聲電機定子結構，壓電陶瓷片極化及粘貼方式示意圖。

圖3是激勵圓環定子產生面內二彎振動模態的驅動信號示意圖。

圖4只有信號輸入端7接入驅動信號，定子一個周期內的振動示意圖。其中圖(I)、圖(II)、圖(III)、圖(IV)為定子一周期內的4個狀態示意圖。

圖1、圖2中標號名稱：1球形轉子，2圓環定子，3壓電陶瓷片，4上凸臺，5下凸臺，6粘貼壓電陶瓷片的平臺。

圖3中標號名稱：7、8、9定子驅動信號輸入端。

圖4中標號名稱：X、Y，X1、Y1，X2、Y2為直角坐標。

具體實施方式：

根據附圖敘述本發明的具體實施方式和工作原理。

如圖1所示，本發明的圓環形多自由度超聲電機，主要由轉子和定子構成。轉子為球形轉子1；定子為一個金屬圓環2，其側面均布粘貼六片壓電陶瓷片3，其中相對的兩片壓電陶瓷片平行對齊；圓環定子的上端面有三個上凸臺4，它們是沿周向均布的，而且上凸臺與其中三個粘貼壓電陶瓷片的平臺6在同一位置，用于支撐、驅動球形轉子；轉子通過其自重提供定、轉子間所需的預壓力；圓環定子的下端面也有三個小凸臺5，它們的位置與上凸臺4位置相同，其用于支撐整個電機。圖2所示的“+”表示壓電陶瓷片3的極化方向，所有壓電陶瓷片的粘貼方式都一樣，“+”朝外粘貼。

本發明利用壓電陶瓷元件來激勵定子的面內二彎振動模態，產生駐波，推動轉子轉動。當超聲頻率的驅動信號給任意相對的兩片壓電陶瓷片供電時，圓環定子就會變形產生駐波，這時其中的一個上凸臺對球形轉子有一摩擦推力作用，驅動球形轉子繞過轉子球心且與這兩片壓電陶瓷片平行的軸線轉動。分別激勵三組相對的壓電陶瓷片，驅使轉子繞三個轉動軸轉動。

1)球形轉子繞過轉子球心并與Y軸平行的軸轉動

如圖3所示，當只給信號輸入端7提供驅動信號E＝Vsin(ωt)或E＝Vcos(ωt)，會激勵定子的面內二彎振動模態，產生駐波，推動球形轉子繞過轉子球心并與Y軸平行的軸轉動。