專利名稱：駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。
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，駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)屬于步進(jìn)超聲電機(jī)的一種。該電機(jī)除具有超聲電機(jī)的一般特點(diǎn)外，采用開環(huán)控制，無累積誤差，可實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的步進(jìn)，由兩路相位無關(guān)正弦信號(hào)激勵(lì)，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。目前，開環(huán)控制步進(jìn)超聲電機(jī)采用模態(tài)旋轉(zhuǎn)或自校正機(jī)理，其驅(qū)動(dòng)力由定、轉(zhuǎn)子間正壓力的切向分量提供，轉(zhuǎn)子與定子采用滑動(dòng)摩擦接觸，通過增加預(yù)壓力來增大正壓力可提高驅(qū)動(dòng)力，但同時(shí)增加定、轉(zhuǎn)子間滑動(dòng)摩擦力，因此力矩很難提高。駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間無滑動(dòng)摩擦，電機(jī)輸出力矩與壓電陶瓷能量輸入成正比，提高力矩的潛力很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、大扭矩、效率高、響應(yīng)速度快、應(yīng)用范圍更廣的步進(jìn)式超聲電機(jī)。
本發(fā)明的駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子及壓電陶瓷。其特點(diǎn)是所述定子是上端面帶凸齒、下端面粘貼有均勻分區(qū)軸向極化的壓電陶瓷環(huán)的彈性體；所述轉(zhuǎn)子是下端面帶有均勻分度齒槽的圓環(huán)形轉(zhuǎn)子；圓環(huán)形轉(zhuǎn)子帶齒槽的下端面壓在定子上端面的凸齒上。當(dāng)壓電陶瓷環(huán)激勵(lì)定子一個(gè)彎振模態(tài)時(shí)，使定子一組凸齒產(chǎn)生斜向運(yùn)動(dòng)，作用于轉(zhuǎn)子齒面，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使得轉(zhuǎn)子齒槽位于定子對(duì)應(yīng)于該模態(tài)的驅(qū)動(dòng)凸齒處時(shí)，轉(zhuǎn)子不再轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)第一個(gè)步距角的運(yùn)動(dòng)結(jié)束；切換電源激發(fā)定子另一個(gè)振型，該振型使得另一組定子凸齒成為驅(qū)動(dòng)齒，這組凸齒分別位于轉(zhuǎn)子上幾個(gè)相鄰齒槽中間的齒面上，可推動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行第二個(gè)步距角的運(yùn)動(dòng)；如此模態(tài)交替工作實(shí)現(xiàn)電機(jī)步進(jìn)；反方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，只需改變壓電陶瓷分區(qū)的通電區(qū)域使得定子振型旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，這將使得對(duì)應(yīng)該模態(tài)的驅(qū)動(dòng)齒產(chǎn)生反方向的推力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子反方向步進(jìn)。
該超聲電機(jī)可實(shí)現(xiàn)開環(huán)控制、無累積誤差、定位準(zhǔn)確、力矩大、工作可靠。


圖1.是駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中標(biāo)號(hào)名稱1.轉(zhuǎn)子；2.定子；3.壓電陶瓷環(huán)圖2.是轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)的狀態(tài)示意圖，該圖為電機(jī)周向展開圖。
其中圖2(a)為初始狀態(tài)，圖2(b)為B03模態(tài)上半周期的狀態(tài)，圖2(c)為B03模態(tài)下半周期，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，圖2(d)為B03定子驅(qū)動(dòng)齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)的狀態(tài)，圖2(e)為定子回復(fù)初始狀態(tài)，圖2(f)為B06模態(tài)上半周期的狀態(tài)，圖2(g)為B06模態(tài)下半周期，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，圖2(h)為B06定子驅(qū)動(dòng)齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)的狀態(tài)，圖2(i)為定子回復(fù)初始狀態(tài)。
圖3.是轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)的狀態(tài)示意圖，該圖為電機(jī)周向展開圖。
其中圖3(a)為初始狀態(tài)，圖3(b)為B03模態(tài)上半周期的狀態(tài)，圖3(c)為B03模態(tài)下半周期，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，圖3(d)為B03定子驅(qū)動(dòng)齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)的狀態(tài)，圖3(e)為定子回復(fù)初始狀態(tài)，圖3(f)為B06模態(tài)上半周期的狀態(tài)，圖3(g)為B06模態(tài)下半周期，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，圖3(h)為B06定子驅(qū)動(dòng)齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)的狀態(tài)，圖3(i)為定子回復(fù)初始狀態(tài)。
具體實(shí)施例方式駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)如圖1.所示。其特點(diǎn)定子2由上端面帶凸齒、下端面粘貼有均勻分區(qū)軸向極化壓電陶瓷環(huán)3的彈性體組成；下端面帶有均勻分度齒槽的圓環(huán)形轉(zhuǎn)子1壓在定子2凸齒上；由壓電陶瓷環(huán)激發(fā)定子彈性體的彎振，由幾個(gè)定子凸齒的斜向運(yùn)動(dòng)作用在轉(zhuǎn)子齒面上，產(chǎn)生圓周方向推力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子齒的半個(gè)齒距時(shí)，定子對(duì)應(yīng)這個(gè)振型的這幾個(gè)驅(qū)動(dòng)齒均分別位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不能被驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子第一個(gè)步距運(yùn)動(dòng)結(jié)束；當(dāng)切換電源激發(fā)定子另一個(gè)振型，該振型對(duì)應(yīng)的幾個(gè)驅(qū)動(dòng)齒分別位于轉(zhuǎn)子齒槽中間，可推動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行第二步距的運(yùn)動(dòng)；如此模態(tài)交替工作實(shí)現(xiàn)電機(jī)步進(jìn)；當(dāng)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，只需改變壓電陶瓷分區(qū)的通電區(qū)域使得振型旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，對(duì)應(yīng)該振型的驅(qū)動(dòng)齒產(chǎn)生反方向的推力，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子反方向步進(jìn)；電源采用兩路正弦信號(hào)，用于激發(fā)定子的兩個(gè)工作模態(tài)，切換時(shí)間足以保證轉(zhuǎn)子的下一個(gè)齒槽轉(zhuǎn)到驅(qū)動(dòng)齒處；步距角是轉(zhuǎn)子相鄰齒槽間夾角的一半。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則1、由壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)激發(fā)出定子環(huán)的兩個(gè)彎振模態(tài)，這兩個(gè)模態(tài)階數(shù)呈2倍關(guān)系。如2階與4階彎振；3階與6階彎振等。2、定子上端面的凸齒3個(gè)一組，組數(shù)與采用的工作模態(tài)中低階的模態(tài)階數(shù)一致。如采用3階與6階彎振，則組數(shù)為3，合計(jì)9個(gè)齒。3、每組定子凸齒中相鄰齒間夾角為低階模態(tài)振型周期對(duì)應(yīng)夾角的3/16倍。如采用3階與6階彎振，則組中相鄰?fù)过X夾角為22.5°。4、各組定子凸齒在定子圓周上均勻分布。5、轉(zhuǎn)子下端面的齒槽數(shù)為定子上端面的凸齒組數(shù)的倍數(shù)，同時(shí)滿足下面關(guān)系定子凸齒組中相鄰?fù)过X夾角除以轉(zhuǎn)子相鄰齒槽夾角的余數(shù)為轉(zhuǎn)子相鄰齒槽夾角的1/2，以保證電機(jī)相鄰步距一致。若齒數(shù)的設(shè)計(jì)不能滿足這個(gè)條件，則可通過改變定子凸齒寬度來微調(diào)。6、環(huán)形壓電陶瓷片沿定子下端面周向均勻分區(qū)，分區(qū)數(shù)除應(yīng)可靠激發(fā)定子兩個(gè)彎振外，還能使低階彎振振型繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)定子凸齒組中相鄰?fù)过X夾角的2倍。如采用3階與6階彎振，則最小分區(qū)數(shù)為24。
下面是一個(gè)駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)例子利用壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)d31激發(fā)出定子環(huán)的三階彎振(B03)、六階彎振(B06)。它主要由定子組件、轉(zhuǎn)子組件及機(jī)座組成。圖1是該電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，轉(zhuǎn)子下端面帶有144個(gè)均勻分度齒槽，用于電機(jī)步進(jìn)定位；定子下端面粘貼周向均勻24分區(qū)軸向單向極化壓電陶瓷環(huán)，用于激勵(lì)定子B03、B06模態(tài)；定子上端面帶有9個(gè)凸起齒，用于推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，并與轉(zhuǎn)子齒槽配合實(shí)現(xiàn)電機(jī)步進(jìn)定位。
電機(jī)運(yùn)動(dòng)分析見圖2、圖3，該圖由電機(jī)外圓柱面周向展開。轉(zhuǎn)子步進(jìn)由定子B03和B06模態(tài)的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)，B03模態(tài)時(shí)，由每組定子齒的一個(gè)齒(圖示中右端的齒)工作，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)分析見圖2.初始狀態(tài)見圖2.(a)，定子凸齒與轉(zhuǎn)子齒相接觸，壓電陶瓷環(huán)分區(qū)如圖接線；將與定子B03共振頻率一致的正弦信號(hào)E給壓電陶瓷供電，激勵(lì)定子振動(dòng)；定子振動(dòng)周期上半周定子齒對(duì)轉(zhuǎn)子作用力無切向分量(見圖2(b))，不能驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；定子振動(dòng)周期下半周定子齒對(duì)轉(zhuǎn)子作用力有切向分量(見圖2(c))，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)使得定子驅(qū)動(dòng)齒(圖中每組齒右邊的齒)位于轉(zhuǎn)子齒槽處(見圖2(d))，轉(zhuǎn)子不能轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)第1步運(yùn)動(dòng)結(jié)束。切換電源，用與定子B06模態(tài)相對(duì)應(yīng)頻率的正弦信號(hào)按圖2.(e)給壓電陶瓷環(huán)供電，激勵(lì)定子B06模態(tài)；與上述B03模態(tài)情形相似，可由B06工作使得轉(zhuǎn)子運(yùn)行第2步(圖2.(f)、(g)、(h))后，定子回復(fù)初始狀態(tài)(圖2(i))。如此B03、B06兩個(gè)模態(tài)交替工作可實(shí)現(xiàn)電機(jī)步進(jìn)，工作模態(tài)間的切換時(shí)間由實(shí)驗(yàn)測(cè)定，使得轉(zhuǎn)子齒槽運(yùn)動(dòng)到定子對(duì)應(yīng)模態(tài)下的驅(qū)動(dòng)齒處。
順時(shí)針運(yùn)動(dòng)分析見圖3改變壓電陶瓷的通電分區(qū)(見圖3.(a))，使振型順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°，與上述逆時(shí)針步進(jìn)同理，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)順時(shí)針步進(jìn)。
該步進(jìn)超聲電機(jī)可實(shí)現(xiàn)最小步距1.25度，更小的步距角可通過增加轉(zhuǎn)子上的齒槽數(shù)來實(shí)現(xiàn)，如采用轉(zhuǎn)子齒數(shù)288時(shí)，步距角為0.75度。
權(quán)利要求
1.一種駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和壓電陶瓷，其特征在于，所述定子(2)上端面帶凸齒、下端面粘貼有均勻分區(qū)軸向極化的壓電陶瓷環(huán)(3)；所述轉(zhuǎn)子(1)是下端面帶有均勻分度齒槽的圓環(huán)形轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子帶齒槽的下端面壓在定子上端面的凸齒上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)，其特征在于，定子(2)上端面的凸齒3個(gè)為一組，組數(shù)與采用的工作模態(tài)中低階的模態(tài)階數(shù)一致，各組定子凸齒在定子圓周上均勻分布。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)子(1)下端面齒槽數(shù)為定子(2)上端面凸齒數(shù)的倍數(shù)，并滿足定子上端面凸齒組中相鄰?fù)过X夾角除以轉(zhuǎn)子下端面相鄰齒槽夾角的余數(shù)為轉(zhuǎn)子下端面相鄰齒槽夾角的1/2，以保證超聲電機(jī)相鄰步距一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)，其特征在于，壓電陶瓷環(huán)(3)沿定子下端面周向均勻分區(qū)，分區(qū)數(shù)除應(yīng)可靠激發(fā)定子2個(gè)彎振外，還能使低階彎振振型繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)定子凸齒組中相鄰?fù)过X夾角的2倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)，其特征在于，壓電陶瓷環(huán)(3)沿定子下端面周向均勻分區(qū)，分區(qū)數(shù)除應(yīng)可靠激發(fā)定子2個(gè)彎振外，還能使低階彎振振型繞電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)定子凸齒組中相鄰?fù)过X夾角的2倍。
全文摘要
一種駐波變頻步進(jìn)式超聲電機(jī)，屬超聲電機(jī)類。其主要構(gòu)成有三部分定子、轉(zhuǎn)子及壓電陶瓷。所述定子(2)上端面帶凸齒、下端面粘貼壓電陶瓷環(huán)(3)，所述轉(zhuǎn)子(1)下端面帶均勻分度齒槽；圓環(huán)形轉(zhuǎn)子帶齒槽的端面壓在定子上端面的凸齒上。由壓電陶瓷環(huán)激發(fā)定子的彎振，幾個(gè)定子凸齒的斜向運(yùn)動(dòng)作用在轉(zhuǎn)子上，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過轉(zhuǎn)子齒的半個(gè)齒距時(shí)，定子對(duì)應(yīng)這個(gè)振型的驅(qū)動(dòng)齒位于轉(zhuǎn)子齒槽處，轉(zhuǎn)子不能被驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)子第一個(gè)步距運(yùn)動(dòng)結(jié)束；切換電源激發(fā)定子另一個(gè)振型，該振型對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)齒位于轉(zhuǎn)子齒槽中間，可推動(dòng)轉(zhuǎn)子進(jìn)行第二步距的運(yùn)動(dòng)；如此模態(tài)交替工作實(shí)現(xiàn)電機(jī)步進(jìn)。該電機(jī)除具有超聲電機(jī)的一般特點(diǎn)外，采用開環(huán)控制，無累積誤差，可實(shí)現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的步進(jìn)，由兩路相位無關(guān)正弦信號(hào)激勵(lì)，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)H02N2/00GK1688097SQ20051003892
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日
發(fā)明者趙淳生, 金家楣 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)