CN101030740A

CN101030740A - 单相驱动的弯曲旋转超声电机

Info

Publication number: CN101030740A
Application number: CN 200610161596
Authority: CN
Inventors: 高建民
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2007-09-05

Abstract

本发明属微电机领域的超声电机，特指单相驱动的弯曲旋转超声电机。本发明由六片压电陶瓷片、定子、转子以及压紧装置组成，每一片压电陶瓷片以直径为对称轴分成两部分反相极化，施加同一电压后，一部分膨胀，另一部分缩小。压电陶瓷片由上到下依次逆时针旋转60度。所有压电陶瓷片用同一相位的单相电压驱动。机体的结构设计为锥状。本发明是一种制造成本低、驱动力矩大、转速快、效率高、单相驱动的新型电机。

Description

单相驱动的弯曲旋转超声电机

技术领域：

本发明属微电机领域的超声电机，特指单相驱动的弯曲旋转超声电机。

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微电机。超声直线电机的原理完全有别于传统的电磁感应的电机，以功率密度大、结构简单紧凑、惯性小、响应快、控制特性好、低速大力矩(或大推力)、断电能自锁、位置分辨率高、可直接驱动负载、效率高、无噪声、抗电磁干扰和自身不产生磁场等优良性能成为一种新颖的微特电机。它不仅是一种全新的自动控制元件，也是一种崭新的传动形式。

文献“朱华，赵淳生，微型旋转超声电机的发展和现状。压电与声光，2005 ，(06)”中提及的弯曲旋转超声电机由五片压电陶瓷采用朗之万夹心结构紧固在棒状的定子中间，用来激励定子产生弯曲振动，转子压在定子上面并依靠它和定子之间的摩擦力转动，为减少转子与定子的接触面积，转子的最下面设计为一个宽度仅为0.14mm的圆环台，这样使转子转动时沿半径方向的分力大为减少，尽量不产生径向相对滑动。每一片压电陶瓷以直径为对称轴分成两部分反相极化，施加同一电压后，一部分膨胀，另一部分缩小。若改变电压的极性，则正好相反。安装时首先使它们位置垂直交叉，空间位相差，然后再分别加给上下两组压电陶瓷sin及cos信号，两者时间位也相差90度，则上面一组压电陶瓷使轴左右弯曲，下面一组压电陶瓷使轴前后弯曲。这样利用时间和空间的90度相位差使定子产生了边弯曲边摇头。

现有弯曲旋转超声电机有如下不足：

1.径向滑移较大，导致径向摩擦较大，所以效率较低。虽然采用了在转子下部加圆台的措施可以部分减少径向摩擦，但是同时也减少了驱动力矩。

2.转速的均匀性差。

3.由于采用相位差为90度的双相电源驱动，电源结构复杂，成本高。

4.同时由于两组压电陶瓷位置不同，频率不完全简并，严重降低了驱动效率。

发明内容：

本发明旨在发明一种制造成本低、驱动力矩大、转速均匀性好、转速快、效率高、单相驱动的弯曲旋转超声电机。

为实现上述目的，提供一种全新结构的弯曲旋转超声电机。本发明由六片压电陶瓷片、定子、转子以及压紧装置组成，每一片压电陶瓷片以直径为对称轴分成两部分反相极化，施加同一电压后，一部分膨胀，另一部分缩小。压电陶瓷片由上到下依次逆时针旋转60度。所有压电陶瓷片用同一相位的单相电压驱动。

机体的结构设计为锥状。

本发明的工作原理是：每一片压电陶瓷片以直径为对称轴分成两部分反相极化，施加同一电压后，一部分膨胀，另一部分压缩，激发如图3中细实线所示的弯曲振动模态。相邻压电陶瓷片依次逆时针错位60度。每块陶瓷片施加同相位交流电压驱动。从俯视图看，六块压电陶瓷片的在XY平面内的位移分布如图3。

W₁，W₂，W₃，W₄，W₅，W₆分别为压电陶瓷片1，2，3，4，5，6在端面圆周C点激发的XY平面内的位移，因为陶瓷性能和结构一致，可以知道该点在XY平面内的位移为零。

如图4，定子的驱动面与XY平面的夹角为φ，驱动面上任意一点C₁(OC与X轴夹角为α)的Z方向位移Z_c可以分解为垂直于驱动面的位移Z_V和平行于驱动面的位移Z_P。

根据z_c＝Rηsinαsinωt

Z_v＝Z_ccosφ＝Rηsinαcosφsinωt

Z_P＝Z_csinφ＝Rηsinαsinφsinωt

因为0°＜φ＜90°，所以Z_V和Z_P同相。

在位置角0°≤α≤180°范围内：

在[0，T/4]之间，驱动面在上升(即Z_V增大)的同时，Z_P也在增加，即驱动面与动子之间存在相对运动趋势，此时驱动面上升，驱动面与动子之间接触，在压紧力的作用下，产生了平行于驱动面的驱动力矩，驱动动子按dZ_p/dt方向旋转，转动轴过驱动面形心并且垂直于该面。

在[T/4，3T/4]之间，驱动面在下降(即Z_V减小)，此时驱动面与动子之间脱离接触，不产生驱动力矩，驱动动子按dZ_p/dt方向旋转，转动轴过驱动面形心并且垂直于该面。

在[3T/4，T]之间，驱动面在上升(即Z_V增大)的同时，Z_P也在增加，即驱动面与动子之间存在相对运动趋势，此时驱动面上升，驱动面与动子之间接触，在压紧力的作用下，产生了平行于驱动面的驱动力矩，驱动动子按dZ_p/dt方向旋转，转动轴过驱动面形心并且垂直于该面。

改变单相驱动电源的正负极方向，或者改变压紧区域(例如由在0°≤α≤180°区域内压紧改做在180°≤α≤360°区域内压紧)，均可以改变转子旋转方向。

从驱动原理可以看出，(即半个圆面)均是驱动区，在[0，T/4]和[3T/4，T]均可以产生同向驱动力矩，因此该电机驱动效率比较高，驱动力矩较大。

改变驱动面与XY平面的夹角φ和驱动电压大小，可以连续调节转速。

因为该电机是单相驱动，驱动电源简单，工作效率高；动子和定子的接触面积大，并且容易产生Z方向的大位移，从而加大驱动力矩，进而提高转速。

综上所述，该型电机是一种制造成本低、驱动力矩大、转速快、效率高、单相驱动的新型电机。

附图说明

图1本发明压电陶瓷片的布置图

图2本发明的结构简图

图3六块压电陶瓷的在XY平面内的位移分布

图4驱动点的位移分析图

1.转子 2.螺杆 3.垫片 4.压电陶瓷片 5.压轴套 6.压紧螺母 7.定子

具体实施方式

本发明是单相电源驱动的、利用压电陶瓷片压电效应激出定子弯振模态而研制成的新型超声旋转电机。它主要是由六片压电陶瓷片4、螺杆2、压轴套5、转子1、压紧螺母6以及垫片3组成。压电陶瓷片的布置如图1。每一片压电陶瓷片以直径为对称轴分成两部分反相极化，施加同一电压后，一部分膨胀，另一部分缩小。

由图2可知，定子由分别错位60度的6片压电陶瓷片垫片通过压紧螺母6、压轴套5固定在中轴上。机体的结构设计为锥状。转子1和螺杆2有小于90度的一夹角。定子锥状压轴套5的结构尺寸经有限元分析计算确定。中轴顶端加工为斜面，在0°≤α≤180°或者180°≤α≤360°区域内法向于中轴顶端斜面压紧动子。在陶瓷上施加同相电压，通过定子驱动转子工作。

Claims

1.单相驱动的弯曲旋转超声电机，其特征是由六片压电陶瓷(4)、螺杆(2)、压轴套(5)、转子(1)、压紧螺母(6)以及垫片(3)组成，每一片压电陶瓷以直径为对称轴分成两部分反相极化，压电片由上到下依次逆时针旋转60度，所有压电片用同一相位的单相电压驱动。

2.根据权利要求1所述的单相驱动的弯曲旋转超声电机，其特征是压轴套(5)结构设计为锥状，转子(1)和螺杆(2)有小于90度的一夹角。