[發明專利]貼片式框架型定子多自由度超聲電機及其激勵方法

在審

• 申請號: 202211031262.5
• 申請日: 2022-08-26
• 公開（公告）號: CN115459626A
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 潘志泳;王亮;金家楣
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02N2/10
• 分類號: H02N2/10;H02N2/12;H02N2/14
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 劉輝

1.貼片式框架型定子多自由度超聲電機及其激勵方法，其特征在于，包含定子、球形轉子和壓電陶瓷片模塊；

所述定子包含第一至第四立柱、以及第一至第四橫梁，其中，第一至第四立柱為結構相同的正四棱柱、第一至第四橫梁為結構相同的長方體；第一、第二立柱的上端分別和第一橫梁的兩端垂直固連，第三、第四立柱的兩端分別和第二橫梁的兩端垂直固連，第一、第四立柱的下端分別和第三橫梁的兩端垂直固連，第二、第三立柱的下端分別和第四橫梁的兩端垂直固連；第一橫梁下端面、第二橫梁下端面、第三橫梁上端面、第四橫梁上端面的中心處均設有凸起的驅動足；

所述壓電陶瓷片模塊包含第一至第八壓電陶瓷片；

所述第一至第八壓電陶瓷片結構相同，均為長方形，一一對應設置在所述第一至第四立柱八個外側面的中心，均關于第一立柱的中截面對稱，寬度均和第一立柱的外側面等寬，長度小于等于第一立柱長度的三分之一；且第一至第八壓電陶瓷片沿著厚度方向同時朝內或者同時朝外極化；

所述球形轉子包含第一球殼、第二球殼、預緊模塊和限位模塊；

所述第一至第二球殼結構相同，均包含殼面和固定部，其中，所述殼面為高度小于半徑的空心半球體，其中心設有圓形的限位孔；所述固定部為一端開口、一端封閉的空心圓柱體，其開口一端和所述殼面在其限位孔處密閉固連，固定部的軸線經過殼面的球心；

所述預緊模塊包含楔塊、預緊螺桿和預緊螺母；

所述楔塊為呈長方臺狀，包含第一端壁、第二端壁、以及依次首位相連的第一至第四側壁，其中，所述第一端壁、第二端壁均為矩形，第一端壁面積小于第二端壁面積；第一側壁、第三側壁為形狀相同的矩形，第二側壁、第四側壁為相互平行且形狀相同的等腰梯形，且第一端壁、第二端壁均垂直于第二側壁；

所述預緊螺桿一端和楔塊第一端壁的中心垂直固連；

所述第一、第二球殼中固定部封閉端的外壁上均設有預緊凹槽和限位凹槽，其中，所述預緊凹槽為深度由一端到另一端逐漸變淺的矩形槽，限位凹槽為等深度的圓形槽，預緊凹槽和深度較淺的一端和限位凹槽的一端相連，預緊凹槽、限位凹槽共線且經過固定部封閉端的圓心，將固定部封閉端分割為兩個部分；

所述第一球殼、第二球殼均置于所述定子中；所述楔塊的第一端壁和第一球殼固定部預緊凹槽的底壁貼合，楔塊的第三端壁和第二球殼固定部預緊凹槽的底壁貼合，楔塊的第二端壁、第四端壁的一側和第一球殼固定部預緊凹槽的兩個側壁對應貼合、另一側和第二球殼固定部預緊凹槽的兩個側壁對應貼合；所述預緊螺桿分別和所述第一球殼、第二球殼的限位凹槽貼合；所述預緊螺母和所述預緊螺桿螺紋相連且分別和所述第一球殼固定部、第二球殼固定部的側壁相抵，用于調整第一球殼固定部、第二球殼固定部之間的間距，使得第一球殼的殼面和第一橫梁、第二橫梁上的驅動足相抵，第二球殼的殼面和第三橫梁、第四橫梁上的驅動足相抵；

所述限位模塊包含第一限位蓋、第二限位蓋；

所述第一限位蓋、第二限位蓋結構相同，均包含連接圓環和限位圓環，其中，所述連接圓環、限位圓環的內徑相等，限位圓環的外徑大于連接圓環的外徑，且連接圓環、限位圓環同軸固連；

所述第一限位蓋限位圓環的外壁和所述第一球殼殼面的限位孔過盈配合，第二限位蓋限位圓環的外壁和所述第二球殼殼面的限位孔過盈配合，使得所述球形轉子在轉動時第一至第四橫梁上的驅動足無法接觸第一球殼、第二球殼之間的縫隙。

2.根據權利要求1所述的貼片式框架型定子多自由度超聲電機，其特征在于，所述驅動足為橫截面為等腰梯形的柱體，包含兩個呈等腰梯形的端面、以及依次首位相連的第一至第四側面；驅動足的第一側面的面積小于其第三側面；驅動足的第三側面和驅動足所在橫梁固連、兩個端面分別和驅動足所在橫梁的兩側共面。

3.根據權利要求1所述的貼片式框架型定子多自由度超聲電機，其特征在于，所述第一至第八壓電陶瓷片通過環氧樹脂膠一一對應粘貼在所述第一至第四立柱八個外側面的中心。

4.根據權利要求1所述的貼片式框架型定子多自由度超聲電機，其特征在于，所述預緊螺母采用六角螺母。

5.基于權利要求1所述的貼片式框架型定子多自由度超聲電機的激勵方法，其特征在于，包含以下步驟：

球形轉子的球心與定子的重心重合，令定子的重心為笛卡爾坐標原點，從第四立柱沿著第三橫梁指向第一立柱的方向為X軸正方向，從第一立柱沿著第一橫梁指向第二立柱的方向為Y軸正方向，沿著第一立柱朝上的方向為Z軸正方向；并令設置在X軸正向的兩片壓電陶瓷片細分為第一壓電陶瓷片組、設置在X軸反向的兩片壓電陶瓷片細分為第二壓電陶瓷片組、設置在Y軸正向的兩片壓電陶瓷片細分為第三壓電陶瓷片組、設置在Y軸反向的兩片壓電陶瓷片細分為第四壓電陶瓷片組；

如果需要驅動球形轉子繞X軸旋轉：

對第三壓電陶瓷片組施加第一激勵信號，對第四壓電陶瓷片組施加第三激勵信號，對第一壓電陶瓷片組和第二壓電陶瓷片組施加第二激勵信號；

所述第一至第三激勵信號均為同頻幅值相等的交流諧波信號，其中，第一激勵信號在時間相位差上超前第二激勵信號π/2,第一激勵信號在時間相位差上超前第三激勵信號π，使得定子上同時產生一階縱振模態和三階彎振模態；通過一階縱振模態和三階彎振模態的耦合，使得定子的驅動足表面質點產生垂直于X軸的微幅橢圓運動，定子通過摩擦作用驅動球形轉子繞X軸旋轉；如果需要繞X軸反向旋轉，改變第二激勵信號，使得第一激勵信號在時間相位差上超前第二激勵信號-π/2即可；

如果需要驅動球形轉子繞Y軸旋轉：

對第一壓電陶瓷片組施加第一激勵信號，對第二壓電陶瓷片組施加第三激勵信號，對第三壓電陶瓷片組和第四壓電陶瓷片組施加第二激勵信號；

所述第一至第三激勵信號均為同頻幅值相等的交流諧波信號，其中，第一激勵信號在時間相位差上超前第二激勵信號π/2,第一激勵信號在時間相位差上超前第三激勵信號π，使得定子上同時產生一階縱振模態和三階彎振模態；通過一階縱振模態和三階彎振模態的耦合，使得定子的驅動足表面質點產生垂直于Y軸的微幅橢圓運動，定子通過摩擦作用驅動球形轉子繞Y軸旋轉；如果需要繞Y軸反向旋轉，改變第二激勵信號，使得第一激勵信號在時間相位差上超前第二激勵信號-π/2即可；

如果需要驅動球形轉子繞Z軸旋轉：

對第一壓電陶瓷片組施加第一激勵信號，對第二壓電陶瓷片組施加第三激勵信號，對第三壓電陶瓷片組施加第二激勵信號，對第四壓電陶瓷片組施加第四組激勵信號；

所述第一至第四激勵信號均為同頻幅值相等的交流諧波信號，其中，第一激勵信號在時間相位差上超前第二激勵信號π/2,第一激勵信號在時間相位差上超前第三激勵信號π，第一激勵信號在時間相位差上超前第四激勵信號3π/2，使得定子上同時產生兩個相互正交的三階彎振模態；通過兩個正交三階彎振模態的耦合，使得定子的驅動足表面質點產生垂直于Z軸的微幅橢圓運動，定子通過摩擦作用驅動球形轉子繞Z軸旋轉；如果需要繞Z軸反向旋轉，改變第二激勵信號和第四信號，使得第一激勵信號在時間相位差上超前第二激勵信號-π/2，以及第一激勵信號在時間相位差上超前第四激勵信號-3π/2即可。