CN100459403C - 驻波变频步进式超声电机 - Google Patents

Abstract

一种驻波变频步进式超声电机，属超声电机类。其主要构成有三部分：定子、转子及压电陶瓷。所述定子(2)上端面带凸齿、下端面粘贴压电陶瓷环(3)，所述转子(1)下端面带均匀分度齿槽；圆环形转子带齿槽的端面压在定子上端面的凸齿上。由压电陶瓷环激发定子的弯振，几个定子凸齿的斜向运动作用在转子上，驱动转子运动；当转子转过转子齿的半个齿距时，定子对应这个振型的驱动齿位于转子齿槽处，转子不能被驱动，转子第一个步距运动结束；切换电源激发定子另一个振型，该振型对应的驱动齿位于转子齿槽中间，可推动转子进行第二步距的运动；如此模态交替工作实现电机步进。该电机除具有超声电机的一般特点外，采用开环控制，无累积误差，可实现正、反转的步进，由两路相位无关正弦信号激励，驱动电路简单。

Description

驻波变频步进式超声电机

技术领域：

本发明的驻波变频步进式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和超声振动的新型动力输出装置。其中，驻波变频步进式超声电机属于步进超声电机的一种。该电机除具有超声电机的一般特点外，采用开环控制，无累积误差，可实现正、反转的步进，由两路相位无关正弦信号激励，驱动电路简单。目前，开环控制步进超声电机采用模态旋转或自校正机理，其驱动力由定、转子间正压力的切向分量提供，转子与定子采用滑动摩擦接触，通过增加预压力来增大正压力可提高驱动力，但同时增加定、转子间滑动摩擦力，因此力矩很难提高。驻波变频步进式超声电机定、转子间无滑动摩擦，电机输出力矩与压电陶瓷能量输入成正比，提高力矩的潜力很大。

发明内容：

本发明的目的在于研制一种结构简单、大扭矩、效率高、响应速度快、应用范围更广的步进式超声电机。

本发明的驻波变频步进式超声电机，包括定子和转子及压电陶瓷。其特点是：所述定子是上端面带凸齿、下端面粘贴有均匀分区轴向极化的压电陶瓷环的弹性体；所述转子是下端面带有均匀分度齿槽的圆环形转子；圆环形转子带齿槽的下端面压在定子上端面的凸齿上。当压电陶瓷环激励定子一个弯振模态时，使定子一组凸齿产生斜向运动，作用于转子齿面，驱动转子转动；当转子转动使得转子齿槽位于定子对应于该模态的驱动凸齿处时，转子不再转动，电机第一个步距角的运动结束；切换电源激发定子另一个振型，该振型使得另一组定子凸齿成为驱动齿，这组凸齿分别位于转子上几个相邻齿槽中间的齿面上，可推动转子进行第二个步距角的运动；如此模态交替工作实现电机步进；反方向旋转时，只需改变压电陶瓷分区的通电区域使得定子振型旋转一个角度，这将使得对应该模态的驱动齿产生反方向的推力，驱动转子反方向步进。

该超声电机可实现开环控制、无累积误差、定位准确、力矩大、工作可靠。

附图说明：

图1.是驻波变频步进式超声电机结构示意图。

图中标号名称：1.转子；2.定子；3.压电陶瓷环

图2.是转子逆时针旋转时电机的状态示意图，该图为电机周向展开图。

其中：图2(a)为初始状态，图2(b)为B03模态上半周期的状态，图2(c)为B03模态下半周期，转子逆时针转动的状态，图2(d)为B03定子驱动齿位于转子齿槽处，转子不转的状态，图2(e)为定子回复初始状态，图2(f)为B06模态上半周期的状态，图2(g)为B06模态下半周期，转子逆时针转动的状态，图2(h)为B06定子驱动齿位于转子齿槽处，转子不转的状态，图2(i)为定子回复初始状态。

图3.是转子顺时针旋转时电机的状态示意图，该图为电机周向展开图。

其中：图3(a)为初始状态，图3(b)为B03模态上半周期的状态，

图3(c)为B03模态下半周期，转子顺时针转动的状态，图3(d)为B03定子驱动齿位于转子齿槽处，转子不转的状态，图3(e)为定子回复初始状态，图3(f)为B06模态上半周期的状态，图3(g)为B06模态下半周期，转子顺时针转动的状态，图3(h)为B06定子驱动齿位于转子齿槽处，转子不转的状态，图3(i)为定子回复初始状态。

具体实施方式：

驻波变频步进式超声电机如图1.所示。其特点：定子2由上端面带凸齿、下端面粘贴有均匀分区轴向极化压电陶瓷环3的弹性体组成；下端面带有均匀分度齿槽的圆环形转子1压在定子2凸齿上；由压电陶瓷环激发定子弹性体的弯振，由几个定子凸齿的斜向运动作用在转子齿面上，产生圆周方向推力，驱动转子运动；当转子转过转子齿的半个齿距时，定子对应这个振型的这几个驱动齿均分别位于转子齿槽处，转子不能被驱动，转子第一个步距运动结束；当切换电源激发定子另一个振型，该振型对应的几个驱动齿分别位于转子齿槽中间，可推动转子进行第二步距的运动；如此模态交替工作实现电机步进；当反向旋转时，只需改变压电陶瓷分区的通电区域使得振型旋转一个角度，对应该振型的驱动齿产生反方向的推力，驱动转子反方向步进；电源采用两路正弦信号，用于激发定子的两个工作模态，切换时间足以保证转子的下一个齿槽转到驱动齿处；步距角是转子相邻齿槽间夹角的一半。

结构设计原则：1、由压电陶瓷片的逆压电效应激发出定子环的两个弯振模态，这两个模态阶数呈2倍关系。如2阶与4阶弯振；3阶与6阶弯振等。2、定子上端面的凸齿3个一组，组数与采用的工作模态中低阶的模态阶数一致。如采用3阶与6阶弯振，则组数为3，合计9个齿。3、每组定子凸齿中相邻齿间夹角为低阶模态振型周期对应夹角的3/16倍。如采用3阶与6阶弯振，则组中相邻凸齿夹角为22.5°。4、各组定子凸齿在定子圆周上均匀分布。5、转子下端面的齿槽数为定子上端面的凸齿组数的倍数，同时满足下面关系：定子凸齿组中相邻凸齿夹角除以转子相邻齿槽夹角的余数为转子相邻齿槽夹角的1/2，以保证电机相邻步距一致。若齿数的设计不能满足这个条件，则可通过改变定子凸齿宽度来微调。6、环形压电陶瓷片沿定子下端面周向均匀分区，分区数除应可靠激发定子两个弯振外，还能使低阶弯振振型绕电机轴旋转定子凸齿组中相邻凸齿夹角的2倍。如采用3阶与6阶弯振，则最小分区数为24。

下面是一个驻波变频步进式超声电机例子：

利用压电陶瓷片的逆压电效应d31激发出定子环的三阶弯振(B03)、六阶弯振(B06)。它主要由定子组件、转子组件及机座组成。图1是该电机的结构示意图，转子下端面带有144个均匀分度齿槽，用于电机步进定位；定子下端面粘贴周向均匀24分区轴向单向极化压电陶瓷环，用于激励定子B03、B06模态；定子上端面带有9个凸起齿，用于推动转子运动，并与转子齿槽配合实现电机步进定位。

电机运动分析见图2、图3，该图由电机外圆柱面周向展开。转子步进由定子B03和B06模态的转换实现，B03模态时，由每组定子齿的一个齿(图示中右端的齿)工作，驱动转子转动。

逆时针运动分析见图2.：

初始状态见图2.(a)，定子凸齿与转子齿相接触，压电陶瓷环分区如图接线；将与定子B03共振频率一致的正弦信号E给压电陶瓷供电，激励定子振动；定子振动周期上半周定子齿对转子作用力无切向分量(见图2(b))，不能驱动转子转动；定子振动周期下半周定子齿对转子作用力有切向分量(见图2(c))，转子转动；当转子转动使得定子驱动齿(图中每组齿右边的齿)位于转子齿槽处(见图2(d))，转子不能转动，电机第1步运动结束。切换电源，用与定子B06模态相对应频率的正弦信号按图2.(e)给压电陶瓷环供电，激励定子B06模态；与上述B03模态情形相似，可由B06工作使得转子运行第2步(图2.(f)、(g)、(h))后，定子回复初始状态(图2(i))。如此B03、B06两个模态交替工作可实现电机步进，工作模态间的切换时间由实验测定，使得转子齿槽运动到定子对应模态下的驱动齿处。

顺时针运动分析见图3：

改变压电陶瓷的通电分区(见图3.(a))，使振型顺时针旋转45°，与上述逆时针步进同理，可实现电机顺时针步进。

该步进超声电机可实现最小步距1.25度，更小的步距角可通过增加转子上的齿槽数来实现，如采用转子齿数288时，步距角为0.75度。

Claims (2)

1.一种驻波变频步进式超声电机，包括定子(2)、转子(1)和压电陶瓷环(3)，定子(2)上端面带凸齿，压电陶瓷环(3)是均匀分区轴向极化的压电陶瓷环，粘贴在定子(2)下端面；转子(1)是下端面带有均匀分度齿槽的圆环形转子，转子带齿槽的下端面压在定子上端面的凸齿上，其特征在于，所述定子(2)上端面的凸齿中等距相邻的3个凸齿为1组，组数与所采用的两个工作模态中低阶的模态阶数一致，各组定子凸齿在定子圆周上均匀分布；所述转子(1)下端面的齿槽数为定子(2)上端面凸齿数的整数倍，并满足定子上端面凸齿组内相邻凸齿夹角除以转子下端面相邻齿槽夹角的余数为转子下端面相邻齿槽夹角的1/2，以保证该超声电机相邻步距一致。

2.根据权利要求1所述的驻波变频步进式超声电机，其特征在于，压电陶瓷环(3)的分区数应能可靠激发定子(2)两个弯曲振动模态，同时能使低阶模态绕定子轴旋转一个角度，这个角度为定子凸齿中组内相邻凸齿夹角的2倍。

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