CN102647108A

CN102647108A - 类齿轮传动行波超声电机及其控制方法

Info

Publication number: CN102647108A
Application number: CN2012101032617A
Authority: CN
Inventors: 杨明; 徐亮; 庄晓奇; 叶林
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2012-04-10
Filing date: 2012-04-10
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2032-04-10
Also published as: CN102647108B

Abstract

本发明公开了一种类齿轮传动行波超声电机，其包括第一电刷、第一铜环、电机输出轴、外壳、转子、定子、基座、第二电刷、第二铜环、基座轴承、压力传感器、弹性垫圈、预紧螺母和外壳轴承。本发明的类齿轮传动行波超声电机中，超声电机的定子与转子被分别施加激励信号，在定转子的金属弹性体中分别激励出两列行波，两列行波波峰波谷互相啮合，形成类齿轮传动，从而充分利用了定转子表面质点的驱动力，提高了传动效率；同时采用电刷为超声电机的转子供电，有效的保证了超声电机持续稳定的运行。

Description

类齿轮传动行波超声电机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种超声电机及其控制方法，特别地，涉及一种类齿轮传动行波超声电机及其控制方法。

背景技术

超声电机是20世纪80年代发展起来的一种全新概念的微特电机，其利用压电材料的逆压电效应，通过激励信号激发定子压电陶瓷在超声频段产生振动，并通过定子表面质点的椭圆运动与转子摩擦，从而将定子表面质点的微观振动转换为转子的宏观转动。由于超声电机具有转矩大、无噪声、响应速度快、不受电磁干扰等显著优点而广泛应用于精密仪器、微型机器人、航空航天等领域中。

超声电机本身是包含机械、电气、振动、计算机、自动控制等多领域的机电产品。众所周知，定转子接触界面的动力特性传递是影响超声电机摩擦、噪声与寿命的决定因素。现有的行波超声电机利用圆环的弯曲振动，在圆环上由两列驻波合成一列行波。利用行波波峰处质点的椭圆运动与转子接触产生的摩擦力驱动转子。但由于现有超声电机定子在超声频段下仅做微米级振动，这种驱动方式仅利用了行波在波峰处的摩擦驱动力，因而导致其机械效率低，摩擦损耗大。同时，伴随摩擦产生的热量使得超声电机的谐振频率都会产生漂移，不利于超声电机输出的稳定性及长期性。

因此，设计一种新型的能够充分利用行波在波峰与波谷之间的驱动力的行波超声电机，对提高机械传动效率、减少摩擦损耗、延长超声电机寿命等诸多方面具有重大意义。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种类齿轮传动行波超声电机及其控制方法，该超声电机扭矩大、转速快、效率高，具有广泛的应用范围。

为实现上述目的，本发明提供了一种类齿轮传动行波超声电机，其包括第一电刷、第一铜环、电机输出轴、外壳、转子、定子、基座、第二电刷、第二铜环、基座轴承、压力传感器、弹性垫圈、预紧螺母和外壳轴承，其中，所述定子包括金属弹性体、环形压电陶瓷和两个半环形镀银电极，所述定子的环形压电陶瓷粘贴在所述定子的金属弹性体的下表面，所述定子的环形压电陶瓷均匀分区并单向极化，且相邻两个分区极化方向相反，所述定子的两个半环形镀银电极分别覆盖所述定子的环形压电陶瓷下表面的左右两侧，所述定子固定在所述基座上；所述转子同样包括金属弹性体、环形压电陶瓷和两个半环形镀银电极，所述转子的环形压电陶瓷粘贴在所述转子的金属弹性体的上表面，所述转子的环形压电陶瓷均匀分区并单向极化，且相邻两个分区极化方向相反，所述转子的两个半环形镀银电极分别覆盖所述转子的环形压电陶瓷上表面的左右两侧；所述转子的下表面与所述定子的上表面相接触，所述转子与所述电机输出轴同轴，并与电机输出轴的轴肩连接；所述电机输出轴上靠近所述外壳的部位处固定有所述第一铜环和所述第二铜环，所述两个铜环通过导线分别连接在所述转子的两个半环形镀银电极上，所述第一电刷和第二电刷嵌在所述外壳上靠近所述电机输出轴的部位处并分别搭接在所述第一铜环和第二铜环上，所述电机输出轴底部有外螺纹，所述基座轴承放置在所述基座底部凹槽内，所述压力传感器及所述弹性垫圈依次放置在所述基座轴承的底部内圈，所述预紧螺母通过所述外螺纹将压力传感器和弹性垫圈压紧在所述基座轴承的内圈，设置在所述外壳内的外壳轴承与所述基座处的基座轴承构成轴承对，以支撑所述电机输出轴，所述外壳与所述基座通过螺栓连接。

如上述的类齿轮传动行波超声电机，其中，所述定子通过螺栓固定在所述基座上。

如上述的类齿轮传动行波超声电机，其中，所述转子通过螺栓与所述电机输出轴相连接。

如上述的类齿轮传动行波超声电机，其中，所述压力传感器与显示器相连接。

如上述的类齿轮传动行波超声电机，其中，所述定子和转子上的环形压电陶瓷外观尺寸相同。

如上述的类齿轮传动行波超声电机，其中，所述定子和转子中，所述环形压电陶瓷的周长长度为所述金属弹性体中所激发的行波波长的整数倍。

如上述的类齿轮传动行波超声电机，其中，所述预紧螺母还用于调节所述超声电机的预紧力，所述预紧力利用所述压力传感器测试。

同时，本发明还提供了一种上述类齿轮传动行波超声电机的控制方法，其包括以下步骤：

给所述定子底部的环形压电陶瓷一路半环形镀银电极施加驱动电信号Esin(ωt)，从而在所述定子的金属弹性体内形成一列驻波W_a(x，t)＝Wsin(kx)sin(ωt)；同时给所述定子的另一路半环形银电极施加驱动电信号Ecos(ωt)，从而在定子的金属弹性体中形成另一列驻波W_b(x，t)＝Wcos(kx)cos(ωt)，上述两路信号的激励电压幅值与频率均相等，从而在所述定子的金属弹性体中合成机械行波W₁(x，t)＝W₁cos(kx-ωt)，并在所述定子的金属弹性体中传播；

通过所述第一电刷给所述第一铜环加驱动电信号Esin(ωt)，从而在所述转子的金属弹性体中形成一列驻波W_c(x，t)＝Wsin(kx)sin(ωt)；同时通过所述第二电刷给所述第二铜环施加驱动电信号Ecos(ωt)，从而在所述转子的金属弹性体中形成另一列驻波W_d(x，t)＝Wcos(kx)cos(ωt)，上述两列驻波在所述转子的金属弹性体中合成机械行波W₂(x，t)＝W₂cos(kx-ωt)，并在所述转子的金属弹性体中传播；

调节所述定子和转子的激励信号以调节所述定子和转子中的两列行波的相位差和工作频率，使两列行波的波峰波谷相互啮合，形成类齿轮传动。

与现有技术相比，本发明的类齿轮传动行波超声电机及其控制方法具有以下突出的技术效果：

(1)超声电机的定子与转子被分别施加激励信号，在定转子的金属弹性体中分别激励出两列行波，两列行波波峰波谷互相啮合，形成类齿轮传动，从而充分利用了定转子表面质点的驱动力，提高了传动效率；

(2)电机输出轴底部的外螺纹上加弹性垫圈预紧，并通过压力传感器将压力数值输出，便于快速调整超声电机运行时所需预紧力；

(3)同时采用电刷为超声电机的转子供电，有效的保了超声证电机持续稳定的运行。

附图说明

图1是本发明的类齿轮传动行波超声电机的结构示意图；

图2是本发明中定转子金属弹性体振动模态示意图；

图3是本发明中定转子金属弹性体中行波啮合示意图；

图4是本发明中定转子表面环形压电陶瓷分区及镀银电极分布示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

如图1所示，本发明的类齿轮传动行波超声电机由第一电刷1、第一铜环2、电机输出轴3、外壳4、转子5、定子6、基座7、第二电刷8、第二铜环9、基座轴承10、压力传感器12、弹性垫圈13、预紧螺母14和外壳轴承17等部件构成。

其中，定子6包括金属弹性体、环形压电陶瓷11和两个半环形镀银电极15和16。其中，环形压电陶瓷11粘贴在金属弹性体的下表面。环形压电陶瓷11均匀分区16份并单向极化，且相邻两个分区极化方向相反。如图4所示，半环形镀银电极15和半环形镀银电极16分别覆盖环形压电陶瓷11下表面的左右两侧，从而最终形成的类齿轮传动行波超声电机的定子结构。图4中所标正负代表该分区环形压电陶瓷11的极化方向。定子6由螺栓固定在电机基座7上。转子5同样包括金属弹性体、环形压电陶瓷和两个半环形镀银电极。其中，与定子中的环形压电陶瓷相同，转子5中的环形压电陶瓷均匀分区16份并单向极化，且相邻两个分区极化方向相反，且环形压电陶瓷粘贴在金属弹性体的上表面。转子5上表面的环形压电陶瓷分区及半环形镀银电极布局与定子6相同，即转子5的两个半环形镀银电极分别覆盖环形压电陶瓷上表面的左右两侧。转子5下表面与定子6上表面相接触，转子5与电机输出轴3同轴，并通过螺栓与电机输出轴3上的轴肩连接。电机输出轴3靠近外壳4的部位固定有第一铜环2和第二铜环9。上述两个铜环通过导线分别连接在转子5的两个镀银电极上。第一电刷1和第二电刷8嵌在电机外壳4靠近电机输出轴3的部位并分别搭接在第一铜环2和第二铜环9上。两个电刷分别通过铜环与半环形镀银电极之间的导线为转子5供电，以产生连续激励信号。电机输出轴3底部加工有外螺纹。基座轴承10放置在电机基座7底部凹槽内，压力传感器12及弹性垫圈13依次放置在基座轴承10的底部。预紧螺母14通过外螺纹拧紧，将压力传感器12和弹性垫圈13压紧在基座轴承10的内圈，从而使得电机的定转子预紧在一起。调整预紧螺母14，观察与压力传感器12相连接的显示器中显示的预紧力的数值，即可完成电机预紧力调节。电机外壳4内的外壳轴承17与基座7处的基座轴承10构成轴承对，用于支撑电机输出轴3，保持输出平稳性。最后，电机外壳4与电机基座7通过螺栓连接，从而构成整个超声电机。

由于定子6和转子5具有相同的环形压电陶瓷11分区数及外观尺寸，经激励信号激励后形成的行波具有相同的波长。

具体地，环形压电陶瓷11的周长长度为金属弹性体中所激发的行波波长的整数倍。

类齿轮传动行波超声电机的控制方法如下：

电机运转时，给定子底部的环形压电陶瓷一路半环形镀银电极施加正弦驱动电信号Esin(ωt)，环形压电陶瓷在正弦信号的激励下由于逆压电效应发生变形，由于相邻两个分区的极化方向相反，因而变形方向也相反，由于正弦信号的反复交变，从而在定子的金属弹性体中形成一列驻波W_a(x，t)＝Wsin(kx)sin(ωt)；同时给定子的另一路半环形银电极施加驱动电信号Ecos(ωt)，同样在定子的金属弹性体中形成另一列驻波W_b(x，t)＝Wcos(kx)cos(ωt)。两路信号的激励电压幅值与频率均相等。在定子的金属弹性体内同时施加上述激励可得两列驻波合成的机械行波：W₁(x，t)＝W₁cos(kx-ωt)，该行波在定子的金属弹性体中传播。其中定子金属弹性体中的振动模态如图2所示。

通过第一电刷给第一铜环加驱动电信号Esin(ωt)，则在转子的金属弹性体中形成一列驻波W_c(x，t)＝Wsin(kx)sin(ωt)；同时通过第二电刷给第二铜环施加驱动电信号Ecos(ωt)，则在转子的金属弹性体中形成另一列驻波W_d(x，t)＝Wcos(kx)cos(ωt)。在转子的金属弹性体中同时施加上述激励，可得两个驻波合成的机械行波：W₂(x，t)＝W₂cos(kx-ωt)，该行波在转子的金属弹性体中传播。其中转子金属弹性体中的振动模态与定子相同，如图2所示。

上述4路驱动电信号分成两组同时输入电机的定子、转子后，在超声电机的定转子上同时激起两列行波W₁(x，t)，W₂(x，t)。调节定子和转子的激励信号以调节两列行波相位差和工作频率使两列行波的波峰波谷相互啮合，形成类齿轮传动，如图3所示，则电机转子在行波的推动下连续运转。利用两列行波的速度差来推动转子旋转。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims

1.一种类齿轮传动行波超声电机，其特征在于，包括第一电刷、第一铜环、电机输出轴、外壳、转子、定子、基座、第二电刷、第二铜环、基座轴承、压力传感器、弹性垫圈、预紧螺母和外壳轴承，其中，所述定子包括金属弹性体、环形压电陶瓷和两个半环形镀银电极，所述定子的环形压电陶瓷粘贴在所述定子的金属弹性体的下表面，所述定子的环形压电陶瓷均匀分区并单向极化，且相邻两个分区极化方向相反，所述定子的两个半环形镀银电极分别覆盖所述定子的环形压电陶瓷下表面的左右两侧，所述定子固定在所述基座上；所述转子同样包括金属弹性体、环形压电陶瓷和两个半环形镀银电极，所述转子的环形压电陶瓷粘贴在所述转子的金属弹性体的上表面，所述转子的环形压电陶瓷均匀分区并单向极化，且相邻两个分区极化方向相反，所述转子的两个半环形镀银电极分别覆盖所述转子的环形压电陶瓷上表面的左右两侧；所述转子的下表面与所述定子的上表面相接触，所述转子与所述电机输出轴同轴，并与电机输出轴的轴肩连接；所述电机输出轴上靠近所述外壳的部位处固定有所述第一铜环和所述第二铜环，所述两个铜环通过导线分别连接在所述转子的两个半环形镀银电极上，所述第一电刷和第二电刷嵌在所述外壳上靠近所述电机输出轴的部位处并分别搭接在所述第一铜环和第二铜环上，所述电机输出轴底部有外螺纹，所述基座轴承放置在所述基座底部凹槽内，所述压力传感器及所述弹性垫圈依次放置在所述基座轴承的底部内圈，所述预紧螺母通过所述外螺纹将压力传感器和弹性垫圈压紧在所述基座轴承的内圈，设置在所述外壳内的外壳轴承与所述基座处的基座轴承构成轴承对，以支撑所述电机输出轴，所述外壳与所述基座通过螺栓连接。

2.如权利要求1所述的类齿轮传动行波超声电机，其特征在于，所述定子通过螺栓固定在所述基座上。

3.如权利要求1所述的类齿轮传动行波超声电机，其特征在于，所述转子通过螺栓与所述电机输出轴连接。

4.如权利要求1所述的类齿轮传动行波超声电机，其特征在于，所述压力传感器与显示器相连接。

5.如权利要求1所述的类齿轮传动行波超声电机，其特征在于，所述定子和转子上的环形压电陶瓷外观尺寸相同。

6.如权利要求1所述的类齿轮传动行波超声电机，其特征在于，所述定子和转子中，所述环形压电陶瓷的周长长度为所述金属弹性体中所激发的行波波长的整数倍。

7.如权利要求1所述的类齿轮传动行波超声电机，其特征在于，所述预紧螺母还用于调节所述超声电机的预紧力，所述预紧力利用所述压力传感器测试。

8.如权利要求1-7之一所述的类齿轮传动行波超声电机的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

给所述定子底部的环形压电陶瓷一路半环形镀银电极施加驱动电信号Esin(ωt)，从而在所述定子的金属弹性体内形成一列驻波W_a(x，t)＝Wsin(kx)sin(ωt)；同时给所述定子的另一路半环形银电极施加驱动电信号Ecos(ωt)，从而在定子的金属弹性体中形成另一列驻波W_b(x，t)＝Wcos(kx)cos(ωt)，上述两路信号的激励电压幅值与频率均相等，从而在所述定子的金属弹性体内合成机械行波W₁(x，t)＝W₁cos(kx-ωt)，并在所述定子的金属弹性体内传播；

通过所述第一电刷给所述第一铜环加驱动电信号Esin(ωt)，从而在所述转子的金属弹性体中形成一列驻波W_c(x，t)＝Wsin(kx)sin(ωt)；同时通过所述第二电刷给所述第二铜环施加驱动电信号Ecos(ωt)，从而在所述转子的金属弹性体中形成另一列驻波W_d(x，t)＝Wcos(kx)cos(ωt)，上述两列驻波在所述转子的金属弹性体内合成机械行波W₂(x，t)＝W₂cos(kx-ωt)，并在所述转子的金属弹性体内传播；

调节所述定子和转子的激励信号以调节所述定子和转子中的两列行波的相位差和工作频率使所述两列行波的波峰波谷相互啮合，形成类齿轮传动。