CN100525058C - 环形定子多自由度超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明的环形定子多自由度超声电机，属超声电机领域。它由定子组件、球形转子及支架组件构成。定子组件由一对上、下定子环及分别粘贴在它们非相对面的一对单向轴向极化压电陶瓷环组成，压电陶瓷表面镀有沿周向均匀分区的扇形电极；球形转子夹持在两个定子环中间；通过支架上的压紧螺栓、弹性支板的作用提供定、转子间所需的预压力。驱动信号经不同扇形电极供给压电陶瓷环，使定子环产生行波以驱动球形转子实现绕定子环轴线双向转动；或产生不同位置的驻波以驱动球形转子实现绕过球形转子球心且与定子环的轴线相垂直的轴线双向转动。该超声电机可实现绕多个转动轴的双向转动、力矩大、工作可靠。
Description
技术领域：
本发明的环形定子多自由度超声电机，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。目前，多自由度超声电机多采用管形定子和球形转子结构，以定子管的弯振和纵振相配合实现转子三个转动轴的旋转，其定、转子之间的预压力一直没有简单有效的方法施加，目前多靠转子球的自重实现，这使得其驱动力较小。此外，由于需利用定子管的纵向共振模态，使定子轴向尺寸难以控制，不利于小型化，应用范围受限。
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、应用范围更广的多自由度超声电机。
本发明的环形定子多自由度超声电机，由定子组件、转子及支架组件构成。定子组件是将轴向单向极化的上压电陶瓷环和下压电陶瓷环分别粘贴在相对放置的上定子环和下定子环的非相对面上，上压电陶瓷环和下压电陶瓷环的表面分别镀有均匀分区的第一扇形电极和第二扇形电极。所述转子是球形转子，被上定子环和下定子环夹持于中间。所述支架组件包括上安装座和下安装座，上安装座、下安装座分别通过第一弹性支板、第二弹性支板与上定子环、下定子环固定在一起。压紧螺栓使第一弹性支板和第二弹性支板发生弹性变形，以提供所述电机工作时所需的预压力。
上压电陶瓷环和下压电陶瓷环的所述电极的分区数均为8n，其中n为自然数。理论上n可以从1取值到无穷。实际n取值1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。另外，可实现的转动轴数与上压电陶瓷环和下压电陶瓷环的电极分区数8n相关。由上定子环和下定子环的驻波相配合可实现双向转动的过球形转子球心且与上定子环和下定子环的共同轴线相垂直的轴线数为4n，加上行波驱动下的绕上定子环和下定子环的共同轴线双向转动的1个转动轴，转动轴总数为：4n+1，其中n与8n中的含义一致。
上压电陶瓷环经第一扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环产生周向行波；下压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环产生周向行波；两个定子环在其行波波峰处与所述转子相接触，接触点附近的摩擦力共同作用于所述转子，实现所述转子绕上定子环和下定子环的共同轴线双向转动。
上压电陶瓷环经第一扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环产生驻波；下压电陶瓷环经第二扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环产生驻波；两个定子环在其驻波波峰处与所述转子相接触，接触点附近的摩擦力共同作用于所述转子，实现所述转子绕过所述转子球心且与上定子环和下定子环的共同轴线相垂直的轴线双向转动。
环形定子多自由度超声电机除具有超声电机的一般特点外，采用环形定子驱动，可实现多个方向的正、反转运动，由两路正弦信号激励，驱动电路简单；采用环形定子的弯振模态作为其工作模态，使其结构紧凑、易于小型化；采用两个环形定子夹持球形转子结构，有效解决了预压力施加问题，提高力矩的潜力较大；环型定子的压电陶瓷环采用多个电极分区，使转子可绕多个轴转动，具有更广阔的应用空间。
附图说明：
图1是环形定子多自由度超声电机定、转子结构示意图。
图2是环形定子多自由度超声电机定、转子及支架机构结构示意图。
图3是上定子下表面、下定子上表面及球形转子示意图。
图4是激励定子环产生周向行波驱动信号示意图。其中图(a)为上定子环电极分区；图(b)为下定子环电极分区。
图5是行波驱动下转子绕定子环轴线顺时针转动时定、转子状态示意图。其中，图(I)、图(II)、图(III)、图(IV)为上定子环行波行进一周过程中定、转子的4个状态示意图。
图6是激励定子产生驻波推动转子绕Y轴转动的驱动信号示意图。其中图(c)为上定子环电极分区；图(d)为下定子环电极分区。
图7是驻波驱动下转子绕Y轴逆时针旋转时电机的状态示意图。
图8是驻波驱动下转子绕Y轴顺时针旋转时电机的状态示意图。
图9是实现球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成22.5度的轴线转动的电极驱动信号示意图。其中图(e)为上定子环电极分区；图(f)为下定子环电极分区。
图10是球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成22.5度的轴线顺时针转动的电机状态示意图。
图11是球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成22.5度的轴线逆时针转动的电机状态示意图。
注：图中均以陶瓷环8n＝16均匀扇形电极分区为例说明。
图1、图2、图3中标号及符号名称：1球形转子，2第一扇形电极，3上压电陶瓷环，4上定子环，5下定子环，6下压电陶瓷环，7第二扇形电极，8第二弹性支板，9下安装座，10压紧螺栓，11上安装座，12第一弹性支板，13上定子环下表面，14下定子环上表面；X、Y、Z为直角坐标。
图4中标号名称：15、16、17、18上定子环行波驱动信号输入端，19、20、21、22下定子环行波驱动信号输入端。
图5中标号及符号名称：23定子环行波驱动下转子转动方向，24上定子环行波行进方向，25下定子环行波行进方向；P、Q上定子环与球形转子接触点，T下定子环与球形转子接触点。
图6中标号名称：26、27上定子环驻波驱动信号输入端，28、29下定子环驻波驱动信号输入端。
图7、图8、图10、图11中标号及符号名称：30定子环驻波驱动下转子转动方向，31上定子环变形方向，32下定子环变形方向；P、Q、R、S上定子环与球形转子接触点，T、U下定子环与球形转子接触点。
图9中标号名称：33、34上定子环驻波驱动信号输入端，35、36下定子环驻波驱动信号输入端。
具体实施方式：
下面以n＝2即压电陶瓷环16个扇形电极分区为例说明环形定子多自由度超声电机工作原理及具体实施方式。
如图1、图2所示，本发明的环形定子多自由度超声电机，主要由定子组件、转子及支架组件构成。定子组件是将一对轴向单向极化的上压电陶瓷环3和下压电陶瓷环6分别粘贴在一对相对放置的上定子环4和下定子环5的非相对面上。上压电陶瓷环3和下压电陶瓷环6的表面分别镀有16个均匀分区的第一扇形电极2和第二扇形电极7。球形转子1被上定子环4和下定子环5夹持于中间。上安装座11、第一弹性支板12、上定子环4固定在一起；下安装座9、第二弹性支板8、下定子环5固定在一起。压紧螺栓10使第二弹性支板8和第一弹性支板12发生弹性变形，以提供电机工作时所需的定、转子间的预压力。
如图3所示，将球形转子1、上定子环下表面13、下定子环上表面14取出作为运动状态示意的要件，以便于观察。
上压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环产生以B02模态形成沿其周向的行波(B表示弯曲振动；第一个下标表示弯曲振动的节园数；第二个下标表示弯曲振动的节径数。下同)；下压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环产生以B01模态形成沿其周向的行波；两个定子环在其同向行波的波峰处与球形转子相接触，接触点附近的摩擦力共同作用于球形转子，实现球形转子绕上定子环和下定子环的共同轴线双向转动。
上压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环产生以B02模态形成的驻波；下压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环产生以B01模态形成的驻波；两个定子环在其驻波波峰处与球形转子相接触，接触点附近的摩擦力共同作用于球形转子，实现球形转子绕过球形转子球心且与上定子环和下定子环的共同轴线相垂直的多个轴线双向转动。
结构设计原则：
1、由压电陶瓷环的逆压电效应激发出的上定子环的B02弯振模态频率与下定子环的B01弯振模态频率一致，以简化驱动电路；
2、压电陶瓷电极分区应为8的倍数，以确保可以激发出上定子环的行波；
3、通过结构设计使在上、下定子环行波工作状态时，其与球形转子接触的波峰处质点的周向速度尽量一致，以减少由于上、下定子环驱动速度不同带来的磨损；
4、定子环与转子接触的内边沿适当倒角或采用磨合的方法以增大接触面积，提高摩擦力。
1)球形转子绕定子环中轴线(Z轴)转动
球形转子绕定子环中轴线转动由上、下定子环的行波推动。
在图4中，当按下述方式供给驱动信号时，上、下定子环产生逆时针方向行波，可推动球形转子绕Z轴顺时针方向转动。
15.E＝—Vcos(ωt)；16.E＝Vsin(ωt)；17.E＝Vcos(ωt)；18.E＝—Vsin(ωt)
22.E＝—Vcos(ωt)；19.E＝Vsin(ωt)；20.E＝Vcos(ωt)；21.E＝—Vsin(ωt)
其中：V为电压值；ω为上定子环B02弯振模态频率和下定子环B01弯振模态频率；t为时间(下同)。
图5是上定子环行波行进一周推动转子顺时针方向转动的定、转子的4个状态。图5(I)为某时刻状态，上定子环在波峰处(P、Q点附近)与球形转子接触，下定子环在波峰处(T点附近)与球形转子接触，随着上、下定子环上行波逆时针行进，接触点随波峰运动，经历图5.(II)、图5.(III)、图5.(IV)所示状态，完成一个周期。在这个过程中，由于定子上波峰附近表面质点的运动方向与行波行进方向相反，转子在摩擦力的作用下顺时针转动。
当按下述方式供给驱动信号时，上、下定子环产生顺时针方向行波，可推动球形转子绕Z轴逆时针方向转动。
15.E＝Vcos(ωt)；16.E＝Vsin(ωt)；17.E＝—Vcos(ωt)；18.E＝—Vsin(ωt)
22.E＝Vcos(ωt)；19.E＝Vsin(ωt)；20.E＝—Vcos(ωt)；21.E＝—Vsin(ωt)
行波驱动下转子绕定子环轴线逆时针旋转时电机的状态与图5.类似，只是行波方向和转子转动方向均相反。
2)球形转子绕Y轴转动
球形转子绕Y轴转动由上、下定子环的驻波配合实现。
在图6中，当按下述方式供给驱动信号时，上、下定子环产生驻波，上定子环波峰位于X、Y轴上；下定子环波峰位于X轴上，可推动球形转子绕Y轴顺时针方向转动。
26.E＝Vsin(ωt)；27.E＝—Vsin(ωt)；28.E＝Vsin(ωt)；29.E＝—Vsin(ωt)
当按下述方式供给驱动信号时，上、下定子环产生驻波，上定子环波峰位于X、Y轴上；下定子环波峰位于X轴上，可推动球形转子绕Y轴逆时针方向转动。
26.E＝Vsin(ωt)；27.E＝—Vsin(ωt)；28.E＝—Vsin(ωt)；29.E＝Vsin(ωt)
图7是驻波驱动下电机的上、下定子环驻波振动一周推动转子逆时针方向转动过程中定、转子的4个状态。图7.(I)表示上、下定子环的平衡状态；在正弦激励的前1/4周期，定子环变形从平衡位置到最大变化，如图7.(II)所示，球形转子与定子环P、Q、T三点附近接触。由于这三点在一个平面内，且上、下定子与球形转子接触处变形方向相反，转子不转或转动较小；随后的1/4周期，由于在前1/4周期定子环在接触点附近对转子作用，对定子环来说也在接触点处受到来自转子的作用，这个作用在径向的分量会使得定子环在接触点附近沿径向向背离转子的方向变形，同时由于定子环的高频振动使得定子环在径向所受的作用类似于冲击，最终使得在随后的这个1/4周期里，定、转子处于脱离状态，直到定子环回到振动平衡状态，如图7.(III)所示。在正弦激励的第3个1/4周期，定子环变形从平衡位置到最大变化，如图7.(IV)所示，球形转子与定子环R、S、U三点附近接触。由于这三点不在一个平面内，且上、下定子与球形转子接触处变形方向相反，转子将绕R-S轴线转动。最后的1/4周期与第二个1/4周期的情况类似，定、转子处于脱离状态，直到定子环回到振动平衡状态，如图7.(I)所示。经过一个正弦激励周期，球形转子已绕Y轴转动了一个角度，如此持续进行激励可使转子绕Y轴持续逆时针转动。
同理，可实现转子绕Y轴持续顺时针转动。运动状态见图8.
3)球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成22.5度的轴线转动
球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成22.5度的轴线的转动由上、下定子环的驻波配合实现。
在图9中，当按下述方式供给驱动信号时，可推动球形转子顺时针方向转动。
33.E＝Vsin(ωt)；34.E＝—Vsin(ωt)；35.E＝Vsin(ωt)；36.E＝—Vsin(ωt)运动分析见图10。
当按下述方式供给驱动信号时，可推动球形转子逆时针方向转动。
33.E＝Vsin(ωt)；34.E＝—Vsin(ωt)；35.E＝—Vsin(ωt)；36.E＝Vsin(ωt)运动分析见图11。
4)转子绕过转子球心在X-Y平面内其他轴线的转动
图9所示与图6所示的电极驱动信号示意图所不同的只是绕Z轴转动了22.5度，上、下定子环上的驻波振型也相应地绕Z轴转动了22.5度，可实现球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成22.5度的轴线转动。以此类推，对电极分区设置不同的驱动信号配置，可实现球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成45度、67.5度、90度、112.5度、135度、157.5度的轴线的双向转动。
因此，当n＝2时，电极为8n＝16均匀分区，可由驻波驱动实现绕在X-Y平面内8个(即4n个，其中包括在X-Y平面内与Y轴成0度的轴线(Y轴))轴线转动，加上行波驱动的绕Z轴的转动，总的可转动轴数为4n+1＝9。
若取n＝1，则总的可转动轴数为4n+1＝5；若取n＝3，则总的可转动轴数为4n+1＝13；以此类推，总的可转动轴数取决于压电陶瓷环的电极分区数。
Claims (4)
1.一种环形定子多自由度超声电机，由定子组件、转子及支架组件构成，其特征在于：所述定子组件是将轴向单向极化的上压电陶瓷环(3)和下压电陶瓷环(6)分别粘贴在相对放置的上定子环(4)和下定子环(5)的非相对面上，上压电陶瓷环(3)和下压电陶瓷环(6)的表面分别镀有均匀分区的第一扇形电极(2)和第二扇形电极(7)；所述转子(1)是球形转子，被上定子环(4)和下定子环(5)夹持于中间；所述支架组件包括上安装座(11)、下安装座(9)，上安装座(11)、下安装座(9)分别通过第一弹性支板(12)、第二弹性支板(8)与上定子环(4)、下定子环(5)固定在一起，压紧螺栓(10)使第一弹性支板(12)和第二弹性支板(8)发生弹性变形，以提供所述电机工作时所需的预压力。
2.根据权利要求1所述的环形定子多自由度超声电机，其特征在于：上压电陶瓷环(3)和下压电陶瓷环(6)的所述电极的分区数均为8n，其中n为自然数，并且取值1、2、3、4、5、6、7、8、9或10。
3.根据权利要求1或2所述的环形定子多自由度超声电机，其特征在于：上压电陶瓷环(3)经第一扇形电极(2)输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环(4)产生周向行波；下压电陶瓷环(6)经第二扇形电极(7)输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环(5)产生周向行波；上定子环(4)和下定子环(5)在其行波波峰处与所述转子(1)相接触，接触点附近的摩擦力共同作用于所述转子(1)，实现所述转子(1)绕上定子环(4)和下定子环(5)的共同轴线双向转动。
4.根据权利要求1或2所述的环形定子多自由度超声电机，其特征在于：上压电陶瓷环(3)经第一扇形电极(2)输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环(4)产生驻波；下压电陶瓷环(6)经第二扇形电极(7)输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环(5)产生驻波；上定子环(4)和下定子环(5)在其驻波波峰处与所述转子(1)相接触，接触点附近的摩擦力共同作用于所述转子(1)，实现所述转子(1)绕过所述转子(1)球心且与上定子环(4)和下定子环(5)的共同轴线相垂直的轴线双向转动。
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Granted publication date: 20090805 Termination date: 20150309 |
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