CN100539385C - 用于超声电机的驱动装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于超声电机的驱动装置，它的特别之处在于它包括至少一个压电变压器用于驱动一台超声电机。

Description

用于超声电机的驱动装置
技术领域
本发明涉及一种用于超声电机的驱动装置。特别涉及一种用于旋转超声电机和直线超声电机的驱动装置。
背景技术
众所周知，超声电机包括一个由压电体和弹性体构成的振动体以及一个设置成与转动体以一定压力相接触的旋转体。通过向该压电体提供一个高频交变电压，由于振动体的振动作用发出弹性位移波，因此转动体利用摩擦力作用可以转动起来。
压电超声电机利用的是非电磁效应，这替代了普通的电机原理。在超声电机中，为了得到可以转换成移动部分的连续移动的行波，会形成两个超声振动，通常这两个超声振动相位移为90°或45°。通过简单地极化以不同方式设置的压电环或通过叠积压电元件，将导致超声振动。
发明内容
本发明提供了一种一种用于超声电机的驱动装置，所述驱动装置包括一对用于产生一对电压来驱动超声电机的压电变压器，其特征在于，所述压电变压器接收彼此移相90度的输入正弦波，所述压电变压器由移相电路和电压控制振荡器驱动，所述电压控制振荡器由检测和控制所述超声电机的速度的速度检测和控制电路驱动，所述速度检测和控制电路接收由所述超声电机来的反馈信号和参考速度信号，该参考速度信号由所述驱动装置的外部提供，所述速度检测和控制电路提供了输出信号，该输出信号与所述超声电机预定的速度成比例。
图1示出的是旋转超声电机的例子，该电机尤其适于用在自动电路断路器中。
如该图所示，一台压电电机，一般由参考标记1表示，包括一个定子单元和一个转子单元。该转子单元包括一个金属盘或环2，其在结构上与所述电机的轴刚性匹配。此外，为了允许轴承3旋转，轴承3就其功能上与该电机轴相联接。
按顺序说，定子单元包括一个片盘53，轴承3连接其上，还包括一个环状弹性盘4，其连接到片盘53上并具有基板5和环6，环6形成具有多个齿的形状，这些齿横向地尤其以垂直角度从基板5突出。
定子单元进一步包括至少一个压电材料层7，该层固定到例如粘接到弹性板4上。特别是，压电材料层7包括多个扇形片8，这些扇形片在相反的方向上交替极化并且通过外部控制单元的控制信号对其电激励。
电机1进一步包括例如由橡胶片或塑料片或金属片构成的摩擦件10，其置于金属盘2和具有齿的成型环6之间，该电机也包括固位件，其可以利用例如设置在金属盘2表面上的金属弹性体11构成，其中金属盘2处于与环形弹性盘4相对的位置上。在杆13端部设有螺纹处拧上一螺母12，该螺母使安装在定子上的转子的各种元件能被保持住。
图1中的超声电机的操作过程如下所述。
当输入电压时，环7的每个扇形片8将发生扭曲并且弹性环也将发生扭曲。为了使由压电扇形片引起的微振动增大，弹性环上设有齿。结果，沿着该环将会产生一个行进超声波。当这个行进超声曲波沿该环移动时，定子和转子之间的接触点具有椭圆形的运动行程，进而可以利用摩擦带动转子连续转动。
图2示出的是直线超声电机中的定子的实例，由参考标记15表示，其中该压电元件16如图示出的那样互叠和设置。
其它类型的直线电机利用了一种或多种由至少一个压电材料片引起的超声振动，其中该压电材料片粘接在具有适当突起的板上面。
该压电元件与椭圆形构件27连接，因此压电元件16在箭头14表示的方向上使该构件振动。
图3示出的是用于超声电机的标准驱动电路，其特别包括了一电压控制振荡器20，该振荡器根据输入到其控制端的电压可发出不同频率的信号。
该振荡器发出一个交流电压信号，该信号分离出两个信号：其中的一个信号通过移相电路21移相，然后上述两个信号输入到由两个电源放大器组成的电源放大级22中。利用由普通型号的线圈绕组组成的变压器23的性能，该信号的电压可以增大到足以驱动该超声电机的电平。接着上述信号输入到用于驱动超声电机振动体的两个端子上，该电机在图3中由参考标记1表示。所述超声电机由图1中采用的相同参考标记来表示，但是它也可以是图2中示出超声电机的类型，因此在这种情况下其也可以由参考标记15表示。
所述信号传输的结果是，在超声电机的振动体中激励出曲线式振动位移波，因此引起转动体旋转，正如前面结合图1所解释的。图3中以结构图示出的电路中输入一个直流电源电压。
该电路通过一个用于检测超声电机速度的电路24和一个适于驱动电压控制振荡器20和移相电路21的速度控制电路25而成为完整的电路。
然而，超声电机的驱动装置，就像图3中示出的驱动装置，还具有缺陷。
首先，图3中的电路需要采用用于高频的具有特殊线圈绕组的变压器。而且，振荡频率的精确度大约为20％，因为元件的数量多电路板不是很紧凑。
此外，图1中的电子电路成本很高，而该控制系统的效率很低。
本发明的目的在于提供一种超声电机驱动装置，该装置比公知的驱动装置更简单更可靠。
在这个目的范围内，本发明的一个目标在于提供一个用于超声电机的驱动装置，其中电子部分相对于已知的驱动装置大大地简化。
本发明的另一个目标在于提供一个用于超声电机的驱动装置，其比已知的驱动装置具有较高的效率和较高的可达到的振动频率的精确度。
本发明的另一个目标在于提供一个用于超声电机的驱动装置，其可在电机端子短路情况下自保护。
本发明的另一个目标在于提供一个用于超声电机的驱动装置，其与公知的具有相等输出电压的装置相比具有更小的尺寸。
本发明的另一个目标在于提供一个用于超声电机的驱动装置，其具有很高的可靠性、更简单并具有更经济的成本。
附图说明
利用一种超声电机的驱动装置可以实现上述目的、这些目标以及其它目的在下文将会很明显，其特征在于，它包括至少一个用于驱动超声电机的压电变压器。本发明进一步的特性和优点将通过对本发明中的驱动装置较佳的而非唯一的实施方式的描述中变得清楚，其仅通过附图中非限制性的例子来说明。其中，
图1是旋转超声电机的分解透视图；
图2是直线超声电机的定子的示意图；
图3是公知的用于超声电机的驱动装置的结构图；
图4是本发明中的超声电机驱动装置的示意图；
图5是应用在图4中的超声电机驱动装置里的压电变压器的视图；
图6是图5中示出的压电变压器的透视图；
图7是根据发明的超声电机驱动装置更详细的结构图。
具体实施方式
参照上述图，特别是参照图4，本发明中的超声电机驱动装置，如图4大致所示的，其具有的特性在于它包括至少一个压电变压器以及更优选地具有一对压电变压器，用于向超声电机的端子供电。
在图4中，再次以参考标记1表示的超声电机由本发明中以参考标记30表示的驱动装置驱动，其包括两个压电变压器31，这两个变压器由振荡波发生器32按顺序驱动。
该发生器由直流电源供电。
一个压电变压器由两个电极组成，一个初级和一个次级，如图6所示，其中初级电极由参考标记33表示以及次级电极由参考标记34表示。
通常情况下，压电变压器也可以具有多个次级电极并且为环形。
这些电极就像一个振动器那样一起工作而发生压电振动。当初级电极发出一个普通的交流电压频率时，其中该频率取决于尺寸大小、尤其是长度或取决于变压器的限制条件，该电极利用压电效应的特性引起了强烈的机械振动，使次级电极发出一个高压输出提供给负载，在本实施例中为超声电机。
反之也一样，如果超声电机需要一个比压电变压器的输入电压还要低的输入电压，该压电变压器也可以用来降低电压。
图5是已在图6的透视图中示出的压电变压器的示意图。
图7示出了适于驱动超声电机1的压电逆变器。
实质上，依本发明的超声电机驱动装置，在本实施例中又包括一对压电变压器31，其由移相电路35和电压控制积分振荡器38驱动，电压控制积分振荡器按顺序接收输入一个时钟频率f0，其中该频率是对超声电机1发出的反馈信号36处理的结果以及该反馈信号将输入到电路37中用于检测和控制超声电机1的速度，电路37也接收输入一个参考速度Vrif。
速度检测和控制电路37按顺序提供一个与预定速度成比例的信号，并输入到电压控制振荡器38中，其按顺序发出上述时钟频率f0。
该积分振荡器提供预定频率的低压正弦和余弦信号，其驱动压电变压器31工作，使压电变压器可以按顺序达到超声电机的所需电压。
实质上，本发明中的具有压电变压器的驱动装置可以提供：具有高压线圈绕组的变压器的移动，其中该变压器具有更高的效率；从电子学的角度来看更简单的驱动电路；由于没有电磁噪音而具有的更高的振荡频率精确度；以及同具有相等输入电压装置相比具有更紧凑的结构。
另外，压电变压器可以很方便的被采用，用于获得DC/DC或DC/AC或AC/DC的逆变器，特别是在需要输入或输出高电压和电镀绝缘的时候。
如图4所示的振荡波发生器32实质上由电压控制积分振荡器构成，其可以提供输出正弦和余弦波，例如为了向压电变压器供电并可输出一个用于驱动该超声电机1的电压，这些波彼此移相90°。
在实际操作中，已经发现本发明的驱动装置足以完成这些预定目标和目的，因为它通过采用压电变压器和普通的压电逆变器来驱动超声电机，使一台超声电机在驱动精度和效率方面有很大的改善。
本发明的驱动装置尤其适于应用于自动电路断路器中，主要是遥控型的，以及适于应用于或是断续的或是连续的高压压电激励机构中，特别是由于采用了当前的压电变压器。因此，本发明进一步的目标涉及一种自动电路断路器，其特征在于，它包括一个由前面描述的驱动装置驱动的超声电机，以及一种用于高压压电激励机构的驱动装置，其特征在于，它包括至少一个压电变压器。
因此，所述的装置允许各种调整和改变，所有的调整和改变均在本发明内容范围内；所有的元件也可以进一步由功能上相当的元件来代替。在实际操作中，采用的材料可以是根据需要和技术领域选取的任何材料，只要它们能与具体应用以及可能的形状与尺寸相适应。

Claims (5)

1.一种用于超声电机(1)的驱动装置(30)，所述驱动装置包括一对用于产生一对电压来驱动超声电机(1)的压电变压器(31)，其特征在于，所述压电变压器(31)接收彼此移相90度的输入正弦波，所述输入正弦波由单个控制回路产生，该控制回路包括
移相电路(35)，其用于驱动所述压电变压器；
电压控制振荡器(38)，其用于驱动所述移相电路；
速度检测和控制电路(37)，其用于驱动所述电压控制振荡器(38)，
其中所述速度检测和控制电路(37)接收指示所述超声电机(1)的速度的反馈信号(36)和参考速度信号(Vrif)，该参考速度信号由所述驱动装置(30)的外部提供，所述速度检测和控制电路(37)提供了输出信号，该输出信号与所述超声电机预定的速度成比例。
2.如权利要求1的驱动装置(30)，其特征在于，每个所述压电变压器(31)包括一个初级输入电极(33)和一个次级输出电极(34)。
3.如权利要求1的驱动装置(30)，其特征在于，所述超声电机(1)是旋转超声电机。
4.如权利要求1的驱动装置(30)，其特征在于，所述超声电机(1)是直线超声电机。
5.一种自动电路断路器，其特征在于，它包括一个由前述一个权利要求中的驱动装置(30)驱动的超声电机(1)。
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