CN102158125A - 碗式行波型球转子非接触式超声电机 - Google Patents

碗式行波型球转子非接触式超声电机 Download PDF

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陈超
李繁
贾兵
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Abstract

本发明公开一种碗式行波型球转子非接触式超声电机，属于微电机领域。其主要部件是球形转子、碗式定子、环形压电陶瓷和弹性垫和支撑装置构成。当对压电陶瓷通入超声频域内的特定交流电压时，碗式定子与球形转子相匹配的部位将形成行波,进而诱发定、转子之间的行波声场。依靠行波声场声辐射压力将球转子悬浮，产生的声粘性力将推动转子转动。该超声电机除具有非接触式超声电机的优点外，还具有结构简单和紧凑、成本低、易于加工和装配等优点。

Description

碗式行波型球转子非接触式超声电机
 
技术领域
本发明的碗式行波型球转子非接触式超声电机属微电机领域中的非接触式超声电机。
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。其中碗式行波型球转子非接触超声电机属于行波型非接触超声电机的一种，采用定子和转子不直接接触驱动的方式来提高转速和避免摩擦损耗，很容易实现电机的高转速，在航空航天领域、非接触式轴承传动、非接触物料传输等中具有广阔的应用前景。目前的非接触式超声电机多为圆盘或圆柱性转子，不能实现球形轴承机构的非接触传动。本发明提出一种球转子非接触超声电机，采用定子的碗形振动端面激发的行波声场来驱动半径相同的球形转子旋转，不仅容易实现高转速，而且该机理可用于高速度的球形转子旋转电机和非接触式球形轴承的传动。
发明内容
本发明的目的就在于研制一种结构紧凑，易于加工、装配和使用，可以非接触方式驱动球转子的碗式行波型超声电机。
为实现上述目的，本碗式行波型球转子非接触式超声电机由球形转子、碗式定子、环形压电陶瓷、弹性垫和支撑装置构成。其中球形转子位于碗式定子空腔内；环形压电陶瓷位于碗式定子的下端面；弹性垫的上断面与碗式定子的下端面接触；支撑装置的上端面与弹性垫的下端面接触。所述环形压电陶瓷采用等分分区方式；所述碗式定子由弹性垫为定子提供自由支撑边界条件；整个结构由支撑装置支撑固定。
本发明与现有技术相比，结构更加紧凑，加工和装配都易于实现较高的精度，同时更便于安装和应用，特别适合于多自由度的高速度旋转电机及非接触式球形轴承的传动领域。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明中球形压电陶瓷的极化及配置方式图；
图3是本发明中碗式定子的有限元模型图；
图4是本发明中碗式定子A相模态视图；
图5是本发明中碗式定子B相模态视图；
图6是本发明中碗式定子振动诱发声场作用来悬浮和驱动转子的示意图。
其中：球形转子1、碗式定子2、环形压电陶瓷3和弹性垫4和支撑装置5。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例对本发明的结构及工作原理进行详细说明。
一种碗式行波型球转子非接触式超声电机，其特征在于：包括球形转子1、碗式定子2、环形压电陶瓷3和弹性垫4和支撑装置5，其中球形转子2位于碗式定子2空腔内；环形压电陶瓷3位于碗式定子2的下端面；弹性垫4位于碗式定子2的下端面；支撑装置5位于弹性垫4的底面。所述环形压电陶瓷3采用等分分区方式；
其定子驱动端面为碗形空腔，用于驱动半径相同的球形转子；
所述碗式定子2由弹性垫4来为定子提供自由支撑边界条件；整个结构由支撑装置5支撑固定。
如附图1所示，本发明提供一种碗式行波型球转子非接触式超声电机，包括球形转子、碗式定子、环形压电陶瓷、弹性垫和支撑装置，以下将分别介绍。
本发明中的非接触式超声电机利用压电陶瓷的逆压电效应激发碗式定子与球形转子相匹配的部位形成行波,进而诱发定、转子之间的空气介质形成行波声场，行波声场的声辐射压力将球转子悬浮，产生的声黏性力将推动转子转动。因此，定子与转子基本驱动原理可概括为固体-流体-固体方式，如附图5所示。为在碗式定子中产生行波，在其底断粘贴压电陶瓷，如图1所示。图2为电机定子使用的压电陶瓷，可分为A、B两相二组大的分区（在空间相位上正交），其中每相均为多分区形式。且分区的数目为波长数目的4倍，若选定工作模态为4个波长，则将环形压电陶瓷等分为16个分区，弧长及极化方向依次为：                                                
Figure 2011100993561100002DEST_PATH_IMAGE001
+、
Figure 666424DEST_PATH_IMAGE001
+、
Figure 396614DEST_PATH_IMAGE001
-、-、
Figure 461575DEST_PATH_IMAGE001
+、+、
Figure 160726DEST_PATH_IMAGE001
-、
Figure 427760DEST_PATH_IMAGE001
-、
Figure 439709DEST_PATH_IMAGE001
+、
Figure 170905DEST_PATH_IMAGE001
+、
Figure 164269DEST_PATH_IMAGE001
-、
Figure 731647DEST_PATH_IMAGE001
-、+、
Figure 54361DEST_PATH_IMAGE001
+、-、-，其中奇数分区构成A相极化区，偶数分区构成B相极化区。
极化后的压电陶瓷片受电场作用会产生变形，极化方向与电场方向相同的分区产生伸长变形，极化方向与电场方向相反的分区产生压缩变形。由于压电陶瓷与粘贴在定子底面，因此，当对压电陶瓷片施加两相时间相位正交的交变电场时，就可使定子产生横向弯曲振动。当A相通以
Figure 2011100993561100002DEST_PATH_IMAGE002
（其频率等于定子工作模态频率）交变电压时，定子将被激发出弯曲共振，如附图4（a）的A相工作模态所示；当B相通以和A相同频、同幅的
Figure 2011100993561100002DEST_PATH_IMAGE003
交变电压时，定子产生另一弯曲共振，如附图4（b）的B相工作模态所示（与A相空间正交）。如果将这两个电压同时分别加到A相和B相，那么，这两个相互正交的弯曲振动的合成，定子就呈现旋转弯曲模态，定子上端面形成行波，依靠行波声场声辐射压力将球转子悬浮，产生的声粘性力将推动转子转动,且沿行波的传播方向高速旋转。特别地，如若产生反向的行波，只需改变或互换输入信号即可。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种碗式行波型球转子非接触式超声电机，其特征在于：包括球形转子、碗式定子、环形压电陶瓷和弹性垫和支撑装置，其中球形转子位于碗式定子空腔内；环形压电陶瓷位于碗式定子的下端面；弹性垫位于碗式定子的下端面；支撑装置位于弹性垫的底面。
2.如权利要求1所述的碗式行波型球转子非接触式超声电机，其特征在于：其定子驱动端面为碗形空腔，用于驱动半径相同的球形转子。
3.如权利要求1所述的碗式行波型球转子非接触式超声电机，其特征在于所述环形压电陶瓷采等分分区方式。
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