CN102651623A - 多振子旋转型压电电机 - Google Patents

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CN102651623A CN2012100227143A CN201210022714A CN102651623A CN 102651623 A CN102651623 A CN 102651623A CN 2012100227143 A CN2012100227143 A CN 2012100227143A CN 201210022714 A CN201210022714 A CN 201210022714A CN 102651623 A CN102651623 A CN 102651623A
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Abstract

本发明提供一种多振子旋转型压电电机，包括上端盖(3)、下端盖(17)、散热机壳(15)、传动轴(1)、1个以上的压电动力单元；电机功率、转矩会随着所述的压电动力单元数量增加而增加；采用了偶数个振子的压电驱动器，每个矩形压电驱动器均有4片矩形的压电陶瓷片，结构新颖。预紧单元是独特的，保证矩形压电驱动器受到的压力平均。采用压电振子频率跟踪技术，实现了多振子模糊同步，确保每个压电振子都处在其谐振频率上。传动轴和转子分别开四个对称的花键槽进行连接，满足转子和驱动轴之间的传动精度，又保证转子和驱动轴的垂直度。本发明提供一种大功率压电电机。压电动力单元为2个时电机功率为33.6W，扭矩为3.5N.m。

Description

多振子旋转型压电电机
技术领域
本发明涉及一种多振子旋转型压电电机。 
背景技术
压电电机做为一种具有研发潜力和广阔的市场前景的新型驱动器，仍然处于一个需要不断探索、研发、完善的初级阶段。压电电机利用压电陶瓷的逆压电效应及其与弹性体组成的定子机构的机械振动，通过定子机构和移动体之间的摩擦、声悬浮等介质来驱动移动体以直线或者旋转运动形式输出。鉴于压电陶瓷的极化及弹性体的振动形式多样性，可采用不同的振动模态来产生力矩和转速，因而可以研制出各种各样的压电电机。但是传统的压电电机最大弱点即是输出功率和转矩较小，多数应用在小型的精密仪器仪表上，限制了其商业化与实用化。(参考文献：赵淳生，超声电机技术与应用.2007，科学出版社，ISBN 703019750X，9787030197504；陈永校，郭吉丰；超声波电动机；浙江大学出版社，1994)。 
发明内容
为了解决已有技术的问题，本发明提供了一种多振子旋转型压电电机。采用矩形薄板型纵弯压电振子；通过频率跟踪器对每一个压电振子进行控制，形成一致的椭圆振动；采用三角形驱动头，增加弯曲切向力的同时，降低振子驱动头对转子摩擦的粘连性，使多振子达到协同运动。这将对压电电机的功率和转矩进行翻倍叠加。本发明提供的多振子旋转型压电电机波动较小，转速更加平稳。多振子压电电机是将压力均匀分布在多个振子上，有效地减小了振子的磨损，进而提高了它的使用寿命。它是一种大功率、大力矩压电电机。 
本发明提供的一种多振子旋转型压电电机包括上端盖、下端盖、散热机壳、传动轴、1个以上的压电动力单元；上端盖、下端盖分别与散热机壳连接，传动轴上端穿过上轴承与上端盖连接，传动轴下端置于轴承中与下端盖连接； 
所述的压电动力单元是由1个定子单元、1个转子单元、1个预紧单元和频率跟踪器组装成的；所述的压电动力单元均轴向顺次安装在传动轴上，再置于散热机壳内；压电动力单元通过转子带动传动轴 旋转；因此，多振子旋转型压电电机功率、转矩随着所述的压电动力单元数量增加而增加；同时，多振子旋转型压电电机功率还随定子单元配置的矩形压电驱动器的个数增加而增加； 
①每个定子单元包括底座、驱动头、回字形振子安装片、矩形压电驱动器； 
②底座为中空的圆柱体；圆柱体内壁中有一个圆环形凸台，圆环形凸台内部为通孔，圆环形凸台下部为下空腔，圆环形凸台的下表面均布4个安装电路板用的有内螺纹孔的圆柱； 
底座的圆柱体外壁上均布多个凸台，每个凸台的上下端面均有用于固定回字形振子安装片的2个螺纹孔；相邻两个凸台之间形成一个矩形凹槽，每个凹槽内均放置一个矩形压电驱动器； 
③回字形振子安装片的中心矩形孔的两端各有一个固定圆孔，矩形孔的外围有两个对称的横置的U字型贯通槽，两个横置的U字型贯通槽之间分别形成2个对称的连接桥； 
④矩形压电驱动器包括一个横截面为王字型框和4个沿厚度方向极化的矩形的压电陶瓷片(A、B、C、D)，矩形的压电陶瓷片(A、B、C、D)顺时针粘接于王字型框内；矩形压电驱动器的数量为2k，k为1以上的自然数；斜对角的两块压电陶瓷片(A、C)正面连接后为第一电极；斜对角的两块压电陶瓷片(B、D)正面连接后为第二电极；4块矩形的压电陶瓷片(A、B、C、D)背面全部镀银电极为第三电极，第三电极接地，为第一电极和第二电极的共地电极； 
王字型框为弹性材料；压电驱动单元的王字型框置于底座的凹槽内，2个回字形振子安装片通过矩形孔分别套在王字型框两个端部并且把两者粘接成一体，再用螺钉分别通过固定圆孔和固定孔把回字形振子安装片与底座连接； 
⑤每个驱动头均是一个截面为等腰三角形的棱柱，等腰三角形的底面分别与矩形压电驱动器的王字型框表面粘接固定，等腰三角形顶角端均与粘接在转子上的圆环状的摩擦条的表面接触； 
高频交变电信号要使每个压电动力单元的矩形压电驱动器均分别绕两个连接桥微震动，所有的驱动头就同时驱动每个圆环状的摩擦条按相同的方向转动进而使转子也同向转动； 
⑥圆形的上端盖的下面是一个圆形凸台，圆形凸台的直径小于上端盖的上端面的直径，圆形凸台的中央也有一个中心有内置轴承的圆孔的圆形凸台，圆形的上端盖的中央的孔与圆孔贯通，通过螺栓把轴 承与圆形盖板连接；传动轴的第一轴段穿过轴承及圆形的上端盖中央通孔，传动轴可以在轴承中转动； 
⑦圆形的下端盖与上端盖的形状相同，只是圆形的下端盖的凸台的安装轴承的孔是盲孔，传动轴的第七轴段末端就安装在该盲孔轴承中； 
⑧散热机壳的壳体外侧有多个固定座肋板，固定座肋板间有散热条，以便更好的散热；散热机壳的其中一个固定座肋板上有电源安装座；固定座肋板上有2个以上的阶梯孔，用螺钉II通过该孔和固定安装螺纹孔把散热机体壳和底座连接； 
散热机壳的壳体的底端环绕内壁分别有圆形凹槽； 
上端盖和下端盖的圆形凸台与散热机壳的壳体的底端环绕内壁的圆形凹槽分别相互咬合，再用螺钉I通过固定耳上的孔和阶梯孔把上端盖和下端盖与散热机壳连接；这样可以保证上端盖和下端盖与散热机壳连接的稳定度，保证传动轴的同轴度； 
⑨传动轴是一个变径轴；传动轴的第一轴段与第七轴段直径相同；第二轴段与第六轴段直径相等，第一轴段较第二轴段的直径细；第三轴与第五轴直径相等，该轴段均布花键凸台和花键凹槽；第三轴段与第五轴段之间有一个以上的与压电动力单元相对应的第四轴段，第四轴段直径最粗，该轴段的两端分别形成轴肩，轴肩上分布连接固定孔； 
⑩转子单元包括转子和圆环状摩擦条，圆环状摩擦条置于转子的圆盘下面的凹槽内，两者粘接成一体； 
(11)转子是一个圆盘，圆盘的中心处有凸台，凸台中心有花键槽孔，花键槽孔与传动轴的第三轴段的花键凸台和花键凹槽配合；凸台上有四个均布的阶梯孔，四个弹簧分别置于四个阶梯孔内，四个带有外螺纹的内六角螺钉III分别穿过四个弹簧及传动轴的第四轴段的轴肩上的连接固定孔后把圆盘和圆环状摩擦条与传动轴连接，使圆盘和圆环状摩擦条与传动轴一起转动，从而把多振子旋转型压电电机的转力传递出去；分别调节4个带有外螺纹的螺栓III松紧，可以调节驱动头与圆环状的摩擦条的压力大小，使所有的驱动头统一受力，调节转子的最佳输出转矩和速度； 
(12)所述的转子上的凸台及其上四个均布的阶梯孔，四个弹簧分别置于四个通孔里，四个带有外螺纹的内六角螺钉III分别穿过四个弹簧及传动轴的第四轴段的轴肩上的连接固定孔后把圆盘和圆环状摩擦 条与传动轴连接后组成预紧单元； 
(13)螺钉IV是一个有圆柱帽和螺杆的螺钉，圆柱帽中央有一个螺纹孔； 
(14)电源连接器安装在散热机壳上的电源安装座槽内；外部电源通过电源连接器对电路板上的频率跟踪器提供驱动电压，频率跟踪器制作在电路板上，频率跟踪器均并联连接；电路板置于底座下空腔内有内螺纹孔的圆柱上，用螺钉IV的螺杆穿过圆柱的螺纹孔，把电路板和底座紧固连接； 
(15)频率跟踪器包括方向控制器、相位检测器、低通滤波器、压控振荡器、分频器及功率放大器；方向控制器与压电驱动器的第一电极和压电驱动器的第二电极分别连接后再与相位检测器连接，压电驱动器的第三电极接地；方向控制器还与相位检测器连接；压控振荡器一端连接分频器、功率放大器后再与矩形压电驱动器的斜对角的压电陶瓷片(A、C)的第一电极和压电陶瓷片(B、D)第二电极连接；其另一端与与滤波器、相位检测连接； 
所述的频率跟踪器，通过方向控制器选择矩形的矩形压电驱动的驱动电极，进而控制多振子旋转型压电电机的运动方向；相位检测器检测输入高频交变信号及其反馈信号的相位差，为压控振荡器提供控制信号，期间通过低通滤波器对控制信号进行整形滤波，滤掉信号中的高频驱段；压控振荡器为第一电极和第二电极提供余弦交变控制信号，控制压电陶瓷的振动频率；分频器是将压控振荡器的频率乘2倍；将反馈的相位差一分为二，相大于π/2区和小于π/2区，然后通过功率放大器的对高频信号的幅值放大，满足矩形压电驱动器的工作电压需求； 
矩形的压电陶瓷片(A、C)的第一电极与第三电极驱动回路为通道1，矩形的压电陶瓷片(B、D)的第二电极与第三电极驱动回路为通道2；对通道1施加高频电压激励时，矩形的压电陶瓷片(A、C)振动纵向振动，反对称结构配置的压电陶瓷片纵向振动引起王字型框的弯曲振动，同频率的纵弯振动在其粘结的驱动头的尖端形成椭圆振动，激励上压电动力单元所有压电驱动器通道1与下压电动力单元通道2时，转子的圆盘顺时针旋转；反之驱动相反通道时，转子的圆盘逆时针旋转；转子带动传动轴旋转； 
(16)所述的方向控制器电路如下：稳压二极管Dz1和Dz2分别在两个NMOS管Mn1和Mn2的源极和漏极之间，Dz1和Dz2是给两个NMOS 管Mn1和Mn2的源极和漏极之间提供偏置电压；由于两个NMOS管Mn1和Mn2是对称结构的，所以其两个源极共同端可看做接地端`gnd`；变压器次级的一个输出端分别与管Mn1和Mn2的栅极连接，二极管D的一端与变压器的另一个输出端连接，二极管D的另一端与Mn1和Mn2的源极分别连接；电容C和电阻并连接入电路；方向控制器电路与矩形压电驱动器的驱动通道相连； 
信号源高频方波信号Vs，经过变压器之后给电容C充电，产生电压Vs1，输入电源的电压Vs1高于NMOS管的开启电压与二极管D的正向导通电压之和时，Mn1和Mn2可以正常导通，压控振荡信号与矩形驱动器的第一电极支路导通，矩形压电驱动器通道1的压电陶瓷片(A、C)做微振动；当不加信号源Vs时，Vs和Vs1均为零，两个NMOS管Mn1和Mn2的关断，压控振荡信号和第一电极支路关断；同样的，方向控制器控制矩形驱动器的压控振荡信号与第二电极支路导通，矩形压电驱动器的通道2压电陶瓷片(B、D)导通做微振动；当不加信号源Vs时，Vs和Vs1均为零，两个NMOS管Mn1和Mn2的关断，压控振荡信号和第二电极支路关断； 
导通信号Vs依靠两个背靠背的单片机提供高频方波信号对两通道1和通道2选择导通和关断。 
所述的频率跟踪器的相位检测器的检测如下：如果通道1驱动信号与通道2的检测信号相位差不等于π/2，通过与门电路对两个信号进行相“与”计算可得信号A；利用分频器对压控振荡的输出频率进行加倍可得信号B，然后继续对信号A与信号B进行相与计算得到最终输出控制信号C； 
如果驱动信号的频率在通道1驱动信号与通道2检测信号相位差大于π/2时，此时控制信号C最终相与的结果为正值，此时信号C比高于设定的相位值，则会迫使压控振荡器的输出信号频率降低； 
如果驱动信号频率在两个通道的驱动的信号相位差小于π/2时，那么控制信号C值为零，则会迫使压控振荡器的输出信号频率升高。 
当对通道1施加正负交变信号时，根据压电陶瓷的逆压电效应，产生纵弯振动的同时，通道2的两块矩形的压电陶瓷片(B、D)也做纵弯受迫振动，根据其压电效应，压电振子产生负正交变信号，两者相位相反，相差π/2，且所述的两个通道可以交替进行驱动、检测； 
基于此特点，以驱动通道1作为电机的高频交变信号源输出，以通道2作为反馈检测信号，检测驱动通道1输出信号的相位与的反馈 通道2信号的相位差作为压控振荡器的控制信号，促使多个压电振子都处在同样的谐振频率上对转子进行驱动。 
有益效果：(1)本发明的多振子旋转型压电电机采用了1个以上的压电动力单元。所述的压电动力单元均顺次轴向安装在传动轴上，再置于散热机壳内；压电动力单元会通过转子带动传动轴旋转；因此，多振子旋转型压电电机功率、转矩随着所述的压电动力单元数量增加而增加；同时，多振子旋转型压电电机功率、转矩还随定子单元配置的矩形压电驱动器的个数增加而增加； 
本发明的多振子旋转型压电电机采用2个压电动力单元，且每个定子单元圆周配置12个矩形压电驱动器电机功率达到33.6W，转矩达到3.5N.m。 
(2)本发明的多振子旋转型压电电机采用了多个矩形压电驱动器，每个矩形压电驱动器均有4片矩形的压电陶瓷片，结构新颖。多振子旋转型压电电机设置偶数个振子，使各个振子的协同驱动，可以避免转子及其摩擦条因为振子支撑点的不均而加速磨损或者受力点过少而产生弯扭变形。 
(3)本发明的多振子旋转型压电电机的定子的预紧力直接通过转子进行施加，转子的中心孔部分开出四个相互对称的花键槽，这样避免由于单个花键槽对传动轴的同心度不重合，对于压电电机的旋转而带来的多余扭矩，减少对轴承的磨损。出于转子结构的优化、强度设计考虑，对称分布四个对称孔，为弹性结构的设计提供可调空间。设计转子时，在考虑其强度的同时兼顾了其纵向的弹性，及其摩擦面的平面度，保证每一个矩形压电驱动器都能受到平均压力。 
(4)本发明的多振子旋转型压电电机的预紧单元是独特的。其可以使每一个压电振子都能受平均的压力也是保证多振子模糊同步的一个重要的前提。另外，预紧单元中，预紧力是4个对角九十度的螺栓提供的压力之和，单个螺栓的提供预紧力的大小对整体预紧影响甚微，增加了定转子之间的预紧力的可调范围及可调精度，可以根据需求设置所需要的弹力。而传统的压电电机多数采用蝶形弹簧预紧，多数情况下蝶形顶在端盖上轴承上，或者额外添加预紧螺母，这样机构即繁琐，又增加了整体压电电机的重量，并且影响驱动轴的传出精度。综上所述，预紧单元不仅方便可调，保证传动精度，更容易加工制造，而且经久耐用、实用。 
(5)本发明的多振子旋转型压电电机的传动轴和转子分别开四个对称的花键槽进行连接。转子和轴的花键配合即可满足转子和传动轴之间的传动精度，又可以保证转子和传动轴的垂直度，能够确保每一个振子都能受到平均压力。传统的压电电机多数预紧机构都放在定子(压电振子)上，在多振子的情况下，每个振子都单独配有各自的压力系统，而会产生受力不同，必然产生单个振子的输出速度差异，因而无法实现同步驱动。 
(6)本发明的多振子旋转型压电电机的给出一种反馈系统-压电振子频率跟踪技术。实现了多振子模糊同步，确保每一个压电振子都处在其谐振频率上。 
附图说明
图1是本发明的多振子旋转型压电电机的结构示意图的主视图的剖面图。
图2为图1中的A的局部放大视图。
图3为图1中的B是局部放大视图。
图4为传动轴（1）的主视图。
图5为传动轴（1）的左视图。
图6是上端盖（3）的结构示意图的主视图。
图7是上端盖（3）的结构示意图的俯视图的剖面图。
图8为转子（6）的结构示意图的主视图。
图9为转子（6）的结构示意图的俯视图的剖面图。
图10 为矩形压电驱动器（8）的示意图的主视图。        
图11为矩形压电驱动器（8）的示意图左视图。 
图12为回字形振子安装片（9）的示意图的主视图的剖面图。
图13为底座（12）结构示意图的主视图。
图14为底座（12）结构示意图的俯视图。 
图15为底座（12）结构示意图的俯视图的剖面图。
图16为散热机壳（15）结构示意图的主视图。
图17为散热机壳（15）结构示意图的俯主视图。
图18是螺钉Ⅳ（22）结构示意图的主视图的剖面图。
图19为相位检测器的检测图。
图20为频率跟踪器的相位检测器的检测信号相位差大于π/2示意图。
图21为频率跟踪器的相位检测器的检测信号相位差小于π/2示意图。
图22为频率跟踪器结构示意图的方框图。
图23为方向控制器的电路图。
具体实施方式
实施例1如图1所示，本发明提供的一种多振子旋转型压电电机包括上端盖(3)、下端盖(17)、散热机壳(15)、传动轴(1)、1个以上的压电动力单元；上端盖(3)、下端盖(17)分别与散热机壳(15)连接，传动轴(1)上端穿过上轴承(2)与上端盖(3)连接，传动轴(1)下端置于轴承(16)中与下端盖(17)连接； 
所述的压电动力单元是由1个定子单元、1个转子单元、1个预紧单元和频率跟踪器组装成的；所述的压电动力单元均轴向顺次安装在传动轴(1)上，再置于散热机壳(15)内；压电动力单元通过转子(6)带动传动轴(1)旋转；因此，多振子旋转型压电电机功率、转矩随着所述的压电动力单元数量增加而增加；同时，多振子旋转型压电电机功率还随定子单元配置的矩形压电驱动器(8)的个数争夺而增加； 
①每个定子单元包括底座(12)、驱动头(5)、回字形振子安装片(9)、矩形压电驱动器(8)； 
②如图12.1、12.2、12.3所示，底座(12)为中空的圆柱体；圆柱体内壁中有一个圆环形凸台(1207)，圆环形凸台(1207)内部为通孔(1206)，圆环形凸台(1207)下部为下空腔(1204)，圆环形凸台(1207)的下表面均布4个安装电路板用的有内螺纹孔的圆柱(1203)； 
底座(12)的圆柱体外壁上均布多个凸台(1201)，每个凸台(1201)的上下端面均有用于固定回字形振子安装片(9)的2个螺纹孔(1202)；相邻两个凸台(1201)之间形成一个矩形凹槽(1208)，每个凹槽(1208)内均放置一个矩形压电驱动器(8)； 
③如图9所示，回字形振子安装片(9)的中心矩形孔(903)的两端各有一个固定圆孔(901)，矩形孔(903)的外围有两个对称的横置的U字型贯通槽(902)，两个横置的U字型贯通槽(902)之间分别形成2个对称的连接桥(904)； 
④如图8.1、8.2所示，矩形压电驱动器(8)包括一个横截面为王字型框(801)和4个沿厚度方向极化的矩形的压电陶瓷片(A、B、C、D)，矩形的压电陶瓷片(A、B、C、D)顺时针粘接于王字型 框(801)内；矩形压电驱动器(8)的数量为2k，k为1以上的自然数；斜对角的两块压电陶瓷片(A、C)正面连接后为第一电极；斜对角的两块压电陶瓷片(B、D)正面连接后为第二电极；4块矩形的压电陶瓷片(A、B、C、D)背面全部镀银电极为第三电极，第三电极接地，为第一电极和第二电极的共地电极； 
王字型框(801)为弹性材料；压电驱动单元(8)的王字型框(801)置于底座(12)的凹槽(1208)内，2个回字形振子安装片(9)通过矩形孔(903)分别套在王字型框(801)两个端部并且把两者粘接成一体，再用螺钉分别通过固定圆孔(901)和固定孔(1202)把回字形振子安装片(9)与底座(12)连接； 
⑤每个驱动头(5)均是一个截面为等腰三角形的棱柱，等腰三角形的底面分别与矩形压电驱动器(8)的王字型框(801)表面粘接固定，等腰三角形顶角端均与粘接在转子(6)上的圆环状的摩擦条(7)的表面接触； 
高频交变电信号要使每个压电动力单元的矩形压电驱动器(8)均分别绕两个连接桥(904)微震动，所有的驱动头(5)就同时驱动每个圆环状的摩擦条(7)按相同的方向转动进而使转子(6)也同向转动； 
⑥如图3-1、3-2所示，圆形的上端盖(3)的下面是一个圆形凸台(304)，圆形凸台(304)的直径小于上端盖(3)的上端面(303)的直径，圆形凸台(304)的中央也有一个中心有内置轴承(2)的圆孔(305)的圆形凸台，圆形的上端盖(3)的中央的孔(302)与圆孔(305)贯通，通过螺栓把轴承(2)与圆形盖板连接；传动轴(1)的第一轴段(101)穿过轴承(2)及圆形的上端盖(3)中央通孔(302)，传动轴(1)可以在轴承(2)中转动； 
⑦圆形的下端盖(17)与上端盖(3)的形状相同，只是圆形的下端盖(17)的凸台的安装轴承的孔是盲孔，传动轴(1)的第七轴段(108)末端就安装在该盲孔轴承中； 
⑧如图15.1、15.2所示，散热机壳(15)的壳体(1506)外侧有多个固定座肋板(1502)，固定座肋板(1502)间有散热条(1503)，以便更好的散热；散热机壳(15)的其中一个固定座肋板(1502)上有电源安装座(1504)；固定座肋板(1502)上有2个以上的阶梯孔(1501)，用螺钉II(10)通过该孔(1501)和固定安装螺纹孔(1205)把散热机体壳(15)和底座(12)连接； 
散热机壳(15)的壳体(1506)的底端环绕内壁分别有圆形凹槽； 
如图1所示，上端盖(3)和下端盖(17)的圆形凸台(304)与散热机壳(15)的壳体(1506)的底端环绕内壁的圆形凹槽分别相互咬合，再用螺钉I(4)通过固定耳(1507)上的孔(1505)和阶梯孔(301)把上端盖(3)和下端盖(17)与散热机壳(15)连接；这样可以保证上端盖(3)和下端盖(17)与散热机壳(15)连接的稳定度，保证传动轴(1)的同轴度； 
⑨如图1.1、1.2所示，传动轴(1)是一个变径轴；传动轴(1)的第一轴段(101)与第七轴段(108)直径相同；第二轴段(102)与第六轴段(107)直径相等，第一轴段(101)较第二轴段(102)的直径细；第三轴段(103)与第五轴段(106)直径相等，该轴段均布花键凸台和花键凹槽(104)；第三轴段(103)与第五轴段(106)之间有一个以上的与压电动力单元相对应的第四轴段(105)，第四轴段(105)直径最粗，该轴段的两端分别形成轴肩，轴肩上分布连接固定孔(109)； 
⑩如图6.1、6.2所示，转子单元包括转子(6)和圆环状摩擦条(7)，圆环状摩擦条(7)置于转子(6)的圆盘下面的凹槽内，两者粘接成一体； 
(11)转子(6)是一个圆盘，圆盘(601)的中心处有凸台(602)，凸台(602)中心有花键槽孔(605)，花键槽孔(605)与传动轴(1)的第三轴段(103)的花键凸台和花键凹槽(104)配合；凸台(602)上有四个均布的阶梯孔(603)，四个弹簧(14)分别置于四个通孔(603)里，四个带有外螺纹的内六角螺钉III(11)分别穿过四个弹簧(14)及传动轴(1)的第四轴段(105)的轴肩上的连接固定孔(109)后把圆盘(601)和圆环状摩擦条(7)与传动轴(1)连接，使圆盘(601)和圆环状摩擦条(7)与传动轴(1)一起转动，从而把多振子旋转型压电电机的转力传递出去；分别调节四个带有外螺纹的螺栓III(11)松紧，可以调节驱动头(5)与圆环状的摩擦条(7)的压力大小，使所有的驱动头(5)统一受力，调节转子(6)的最佳输出转矩和速度； 
(12)所述的转子(6)上的凸台(602)及其上四个均布的阶梯孔(603)，四个弹簧(14)分别置于四个阶梯孔(603)里，四个带有外螺纹的内六角螺钉III(11)分别穿过四个弹簧(14)及传动轴(1)的第四轴段(105)的轴肩上的连接固定孔(109)后把圆盘(601)和圆环状摩擦条(7)与传动轴(1)连接后组成预紧单元； 
(13)如图22.1所示，螺钉IV(22)是一个有圆柱帽(2201)和螺 杆(2203)的螺钉，圆柱帽(2201)中央有一个螺纹孔(2202)； 
(14)电源连接器(13)安装在散热机壳(15)上的电源安装座(1504)槽内；外部电源通过电源连接器(13)对电路板上的频率跟踪器提供驱动电压，频率跟踪器制作在电路板上，频率跟踪器均并联连接；电路板置于底座(12)下空腔(1204)内有内螺纹孔的圆柱(1203)上，用螺钉IV(22)的螺杆(2203)穿过圆柱(1203)的螺纹孔，把电路板和底座(12)紧固连接； 
(15)如图40-1所示，频率跟踪器包括方向控制器、相位检测器、低通滤波器、压控振荡器、分频器及功率放大器；方向控制器与压电驱动器(8)的第一电极和压电驱动器(8)的第二电极分别连接后再与相位检测器连接，压电驱动器(8)的第三电极接地；方向控制器还与相位检测器连接；压控振荡器一端连接分频器、功率放大器后再与矩形压电驱动器(8)的斜对角的压电陶瓷片(A、C)的第一电极和压电陶瓷片(B、D)第二电极连接；其另一端与与滤波器、相位检测连接； 
所述的频率跟踪器，通过方向控制器选择矩形的矩形压电驱动(8)的驱动电极，进而控制多振子旋转型压电电机的运动方向；相位检测器检测输入高频交变信号及其反馈信号的相位差，为压控振荡器提供控制信号，期间通过低通滤波器对控制信号进行整形滤波，滤掉信号中的高频驱段；压控振荡器为第一电极和第二电极提供余弦交变控制信号，控制压电陶瓷的振动频率；分频器是将压控振荡器的频率乘2倍；将反馈的相位差一分为二，相大于π/2区和小于π/2区，然后通过功率放大器的对高频信号的幅值放大，满足矩形压电驱动器(8)的工作电压需求； 
矩形的压电陶瓷片(A、C)的第一电极与第三电极为通道1，矩形的压电陶瓷片(B、D)的第二电极与第三电极为通道2；对通道1施加高频电压激励时，矩形的压电陶瓷片(A、C)振动纵向振动，反对称结构配置的压电陶瓷片纵向振动引起王字型框(801)的弯曲振动，同频率的纵弯振动在其粘结的驱动头(5)的尖端形成椭圆振动，激励上压电动力单元所有压电驱动器(8)通道1与下压电动力单元通道2时，转子(6)的圆盘顺时针旋转；反之驱动相反通道时，转子(6)的圆盘逆时针旋转；转子(6)带动传动轴(1)旋转； 
(16)所述的方向控制器电路图如图40-2所示，稳压二极管Dz1和Dz2分别在两个NMOS管Mn1和Mn2的源极和漏极之间，Dz1和Dz2是 给两个NMOS管Mn1和Mn2的源极和漏极之间提供偏置电压；由于两个NMOS管Mn1和Mn2是对称结构的，所以其两个源极共同端可看做接地端`gnd`；变压器次级的一个输出端分别与管Mn1和Mn2的栅极连接，二极管D的一端与变压器的另一个输出端连接，二极管D的另一端与Mn1和Mn2的源极分别连接；电容C和电阻并连接入电路；方向控制器电路与矩形压电驱动器(8)的驱动通道相连； 
信号源高频方波信号Vs，经过变压器之后给电容C充电，产生电压Vs1，输入电源的电压Vs1高于NMOS管的开启电压与二极管D的正向导通电压之和时，Mn1和Mn2可以正常导通，压控振荡信号与矩形驱动器的第一电极支路导通，矩形压电驱动器(8)通道1的压电陶瓷片(A、C)做微振动；当不加信号源Vs时，Vs和Vs1均为零，两个NMOS管Mn1和Mn2的关断，压控振荡信号和第一电极支路关断；同样的，方向控制器控制矩形驱动器的压控振荡信号与第二电极支路导通，矩形压电驱动器(8)的通道2压电陶瓷片(B、D)导通做微振动；当不加信号源Vs时，Vs和Vs1均为零，两个NMOS管Mn1和Mn2的关断，压控振荡信号和第二电极支路关断； 
导通信号Vs依靠两个背靠背的单片机提供高频方波信号对两通道1和通道2选择导通和关断。 
所述的频率跟踪器的相位检测器的检测图如图30-1所示。如果通道1驱动信号与通道2的检测信号相位差不等于π/2，通过与门电路对两个信号进行相“与”计算可得信号A；利用分频器对压控振荡的输出频率进行加倍可得信号B，然后继续对信号A与信号B进行相与计算得到最终输出控制信号C； 
如果驱动信号的频率在通道1驱动信号与通道2检测信号相位差大于π/2时，此时控制信号C最终相与的结果为正值，此时信号C比高于设定的相位值，则会迫使压控振荡器的输出信号频率降低，如图30-2所示； 
如果驱动信号频率在两个通道的驱动的信号相位差小于π/2时，那么控制信号C值为零，则会迫使压控振荡器的输出信号频率升高，如图30-3所示。 
当对通道1施加正负交变信号时，根据压电陶瓷的逆压电效应，产生纵弯振动的同时，通道2的两块矩形的压电陶瓷片(B、D)也做纵弯受迫振动，根据其压电效应，压电振子产生负正交变信号，两者相位相反，相差π/2，且所述的两个通道可以交替进行驱动、检测； 
基于此特点，以驱动通道1作为电机的高频交变信号源输出，以通道2作为反馈检测信号，检测驱动通道1输出信号的相位与的反馈通道2信号的相位差作为压控振荡器的控制信号，促使多个压电振子都处在同样的谐振频率上对转子进行驱动。 
实施例1的一种多振子旋转型压电电机，压电动力单元为2个，其为上压电动力单元和下压电动力单元，沿传动轴(1)以传动轴(1)的第四轴段(105)的上面和下面对称安装后，再置于散热机壳(15)内；下压电动力单元会与上压电动力单元同步通过转子(6)带动传动轴(1)旋转，因此，使多振子旋转型压电电机功率、转矩加倍。 
所述的的矩形压电驱动器(8)的数量为2k，k为6。 
电路板有4个，每个电路板有3个频率跟踪器，4个电路板的12个频率追踪器对12个矩形压电驱动器(8)进行频率控制；把电路板I(18)置于底座(12)的下空腔(1204)内的圆柱(1203)上，用螺钉IV(22)的螺杆(2203)穿过圆柱(1203)的螺纹孔，把电路板I(18)和底座(12)紧固连接；再把电路板II(19)置于电路板I(18)下面的螺钉IV(22)上，分别把螺钉IV(22)插入固定电路板I(18)螺钉IV(22)的螺纹孔(2202)中，把电路板II(19)与固定电路板I(18)连接；依次把电路板III(20)和电路板IV(21)连接起来；由于凸台(2201)的隔离使电路板之间有空隙。 
所述的王字型框(801)的弹性材料为紫铜。电机功率达到33.6W，转矩达到3.5N.m。 

Claims (4)

1.一种多振子旋转型压电电机，其特征在于，其包括上端盖(3)、下端盖(17)、散热机壳(15)、传动轴(1)、1个以上的压电动力单元；上端盖(3)、下端盖(17)分别与散热机壳(15)连接，传动轴(1)上端穿过上轴承(2)与上端盖(3)连接，传动轴(1)下端置于轴承(16)中与下端盖(17)连接；
所述的压电动力单元是由1个定子单元、1个转子单元、1个预紧单元和频率跟踪器组装成的；所述的压电动力单元均轴向顺次安装在传动轴(1)上，再置于散热机壳(15)内；压电动力单元通过转子(6)带动传动轴(1)旋转；
①每个定子单元包括底座(12)、驱动头(5)、回字形振子安装片(9)、矩形压电驱动器(8)；
②底座(12)为中空的圆柱体；圆柱体内壁中有一个圆环形凸台(1207)，圆环形凸台(1207)内部为通孔(1206)，圆环形凸台(1207)下部为下空腔(1204)，圆环形凸台(1207)的下表面均布4个安装电路板用的有内螺纹孔的圆柱(1203)；底座(12)的圆柱体外壁上均布多个凸台(1201)，每个凸台(1201)的上下端面均有用于固定回字形振子安装片(9)的2个螺纹孔(1202)；相邻两个凸台(1201)之间形成一个矩形凹槽(1208)，每个凹槽(1208)内均放置一个矩形压电驱动器(8)；
③回字形振子安装片(9)的中心矩形孔(903)的两端各有一个固定圆孔(901)，矩形孔(903)的外围有两个对称的横置的U字型贯通槽(902)，两个横置的U字型贯通槽(902)之间分别形成2个对称的连接桥(904)；
④矩形压电驱动器(8)包括一个横截面为王字型框(801)和4个沿厚度方向极化的矩形的压电陶瓷片(A、B、C、D)，矩形的压电陶瓷片(A、B、C、D)顺时针粘接于王字型框(801)内；矩形压电驱动器(8)的数量为2k，k为1以上的自然数；斜对角的两块压电陶瓷片(A、C)正面连接后为第一电极；斜对角的两块压电陶瓷片(B、D)正面连接后为第二电极；4块矩形的压电陶瓷片(A、B、C、D)背面全部镀银电极为第三电极，第三电极接地，为第一电极和第二电极的共地电极；
王字型框(801)为弹性材料；压电驱动单元(8)的王字型框(801)置于底座(12)的凹槽(1208)内，2个回字形振子安装片(9)通过矩形孔(903)分别套在王字型框(801)两个端部并且把两者粘接成一体，再用螺钉分别通过固定圆孔(901)和固定孔(1202)把回字形振子安装片(9)与底座(12)连接；
⑤每个驱动头(5)均是一个截面为等腰三角形的棱柱，等腰三角形的底面分别与矩形压电驱动器(8)的王字型框(801)表面粘接固定，等腰三角形顶角端均与粘接在转子(6)上的圆环状的摩擦条(7)的表面接触；
高频交变电信号要使每个压电动力单元的矩形压电驱动器(8)均分别绕两个连接桥(904)微震动，所有的驱动头(5)就同时驱动每个圆环状的摩擦条(7)按相同的方向转动进而使转子(6)也同向转动；
⑥圆形的上端盖(3)的下面是一个圆形凸台(304)，圆形凸台(304)的直径小于上端盖(3)的上端面(303)的直径，圆形凸台(304)的中央也有一个中心有内置轴承(2)的圆孔(305)的圆形凸台，圆形的上端盖(3)的中央的孔(302)与圆孔(305)贯通，通过螺栓把轴承(2)与圆形盖板连接；传动轴(1)的第一轴段(101)穿过轴承(2)及圆形的上端盖(3)中央通孔(302)，传动轴(1)可以在轴承(2)中转动；
⑦圆形的下端盖(17)与上端盖(3)的形状相同，只是圆形的下端盖(17)的凸台的安装轴承的孔是盲孔，传动轴(1)的第七轴段(108)末端就安装在该盲孔轴承中；
⑧散热机壳(15)的壳体(1506)外侧有多个固定座肋板(1502)，固定座肋板(1502)间有散热条(1503)；散热机壳(15)的其中一个固定座肋板(1502)上有电源安装座(1504)；固定座肋板(1502)上有2个以上的阶梯孔(1501)，用螺钉II(10)通过该孔(1501)和固定安装螺纹孔(1205)把散热机体壳(15)和底座(12)连接；
散热机壳(15)的壳体(1506)的底端环绕内壁分别有圆形凹槽；
上端盖(3)和下端盖(17)的圆形凸台(304)与散热机壳(15)的壳体(1506)的底端环绕内壁的圆形凹槽分别相互咬合，再用螺钉I(4)通过固定耳(1507)上的孔(1505)和阶梯孔(301)把上端盖(3)和下端盖(17)与散热机壳(15)连接；
⑧散热机壳(15)的壳体上有多个固定座肋板(1502)，固定座肋板(1502)上有2个以上的阶梯孔(1501)，用螺钉II(10)通过该孔(1501)把底座(12)和散热机壳(15)连接；固定座肋板(1502)间有散热条(1503)，以便更好的散热；散热机壳(15)的其中一个固定座肋板(1502)上还有电源安装座(1504)；底座(12)用螺钉通过每个凸台(1201)的前端面的固定安装螺纹孔(1205)与散热机体壳(15)连接；散热机壳(15)的壳体(1506)内壁的上部有多个固定耳(1507)，用螺钉I(4)通过固定耳(1507)上的孔(1505)与上端盖(3)的固定孔把两者连接；
⑨传动轴(1)是一个变径轴；传动轴(1)的第一轴段(101)与第七轴段(108)直径相同；第二轴段(102)与第六轴段(107)直径相等，第一轴段(101)较第二轴段(102)的直径细；第三轴段(103)与第五轴段(106)直径相等，该轴段均布花键凸台和花键凹槽(104)；第三轴段(103)与第五轴段(106)之间有一个以上的与压电动力单元相对应的第四轴段(105)，第四轴段(105)直径最粗，该轴段的两端分别形成轴肩，轴肩上分布连接固定孔(109)；
⑩转子单元包括转子(6)和圆环状摩擦条(7)，圆环状摩擦条(7)置于转子(6)的圆盘下面的凹槽内，两者粘接成一体；
(11)转子(6)是一个圆盘，圆盘(601)的中心处有凸台(602)，凸台(602)中心有花键槽孔(605)，花键槽孔(605)与传动轴(1)的第三轴段(103)的花键凸台和花键凹槽(104)配合；凸台(602)上有四个均布的阶梯孔(603)，四个弹簧(14)分别置于四个通孔(603)里，四个带有外螺纹的内六角螺钉III(11)分别穿过四个弹簧(14)及传动轴(1)的第四轴段(105)的轴肩上的连接固定孔(109)后把圆盘(601)和圆环状摩擦条(7)与传动轴(1)连接，使圆盘(601)和圆环状摩擦条(7)与传动轴(1)一起转动，从而把多振子旋转型压电电机的转力传递出去；分别调节四个带有外螺纹的螺栓III(11)松紧，可以调节驱动头(5)与圆环状的摩擦条(7)的压力大小，使所有的驱动头(5)统一受力，调节转子(6)的最佳输出转矩和速度；
(12)所述的转子(6)上的凸台(602)及其上四个均布的阶梯孔(603)，四个弹簧(14)分别置于四个通孔(603)内，四个带有外螺纹的内六角螺钉III(11)分别穿过四个弹簧(14)及传动轴(1)的第四轴段(105)的轴肩上的连接固定孔(109)后把圆盘(601)和圆环状摩擦条(7)与传动轴(1)连接后组成预紧单元；
(13)螺钉IV(22)是一个有圆柱帽(2201)和螺杆(2203)的螺钉，圆柱帽(2201)中央有一个螺纹孔(2202)；
(14)电源连接器(13)安装在散热机壳(15)上的电源安装座(1504)槽内；外部电源通过电源连接器(13)对电路板上的频率跟踪器提供驱动电压，频率跟踪器制作在电路板上，频率跟踪器均并联连接；电路板置于底座(12)下空腔(1204)内有内螺纹孔的圆柱(1203)上，用螺钉IV(22)的螺杆(2203)穿过圆柱(1203)的螺纹孔，把电路板和底座(12)紧固连接；
(15)频率跟踪器包括方向控制器、相位检测器、低通滤波器、压控振荡器、分频器及功率放大器；方向控制器与压电驱动器(8)的第一电极和压电驱动器(8)的第二电极分别连接后再与相位检测器连接，压电驱动器(8)的第三电极接地；方向控制器还与相位检测器连接；压控振荡器一端连接分频器、功率放大器后再与矩形压电驱动器(8)的斜对角的压电陶瓷片(A、C)的第一电极和压电陶瓷片(B、D)第二电极连接；其另一端与与滤波器、相位检测连接；
所述的频率跟踪器，通过方向控制器选择矩形的矩形压电驱动(8)的驱动电极，进而控制多振子旋转型压电电机的运动方向；相位检测器检测输入高频交变信号及其反馈信号的相位差，为压控振荡器提供控制信号，期间通过低通滤波器对控制信号进行整形滤波，滤掉信号中的高频驱段；压控振荡器为第一电极和第二电极提供余弦交变控制信号，控制压电陶瓷的振动频率；分频器是将压控振荡器的频率乘2倍；将反馈的相位差一分为二，相大于π/2区和小于π/2区，然后通过功率放大器的对高频信号的幅值放大，满足矩形压电驱动器(8)的工作电压需求；
矩形的压电陶瓷片(A、C)的第一电极与第三电极驱动回路为通道1，矩形的压电陶瓷片(B、D)的第二电极与第三电极驱动回路为通道2；对通道1施加高频电压激励时，矩形的压电陶瓷片(A、C)振动纵向振动，反对称结构配置的压电陶瓷片纵向振动引起王字型框(801)的弯曲振动，同频率的纵弯振动在其粘结的驱动头(5)的尖端形成椭圆振动，激励上压电动力单元所有压电驱动器(8)通道1与下压电动力单元通道2时，转子(6)的圆盘顺时针旋转；反之驱动相反通道时，转子(6)的圆盘逆时针旋转；转子(6)带动传动轴(1)旋转；
(16)所述的方向控制器电路如下：稳压二极管Dz1和Dz2分别在两个NMOS管Mn1和Mn2的源极和漏极之间，Dz1和Dz2是给两个NMOS管Mn1和Mn2的源极和漏极之间提供偏置电压；由于两个NMOS管Mn1和Mn2是对称结构的，所以其两个源极共同端可看做接地端`gnd`；变压器次级的一个输出端分别与管Mn1和Mn2的栅极连接，二极管D的一端与变压器的另一个输出端连接，二极管D的另一端与Mn1和Mn2的源极分别连接；电容C和电阻并连接入电路；方向控制器电路与矩形压电驱动器(8)的驱动通道相连；
信号源高频方波信号Vs，经过变压器之后给电容C充电，产生电压Vs1，输入电源的电压Vs1高于NMOS管的开启电压与二极管D的正向导通电压之和时，Mn1和Mn2可以正常导通，压控振荡信号与矩形驱动器的第一电极支路导通，矩形压电驱动器(8)通道1的压电陶瓷片(A、C)做微振动；当不加信号源Vs时，Vs和Vs1均为零，两个NMOS管Mn1和Mn2的关断，压控振荡信号和第一电极支路关断；同样的，方向控制器控制矩形驱动器的压控振荡信号与第二电极支路导通，矩形压电驱动器(8)的通道2压电陶瓷片(B、D)导通做微振动；当不加信号源Vs时，Vs和Vs1均为零，两个NMOS管Mn1和Mn2的关断，压控振荡信号和第二电极支路关断；
导通信号Vs依靠两个背靠背的单片机提供高频方波信号对两通道1和通道2选择导通和关断。
2.如权利要求1所述的一种多振子旋转型压电电机，其特征在于，所述的压电动力单元为2个，其为上压电动力单元和下压电动力单元，沿传动轴(1)以传动轴(1)的第四轴段(105)的上面和下面对称安装。
3.如权利要求1或2所述的一种多振子旋转型压电电机，其特征在于，矩形压电驱动器(8)的数量为2k，k为6。
3、如权利要求2所述的一种多振子旋转型压电电机，其特征在于，所述的电路板有4个，每个电路板有3个频率跟踪器，4个电路板的12个频率追踪器对12个矩形压电驱动器(8)进行频率控制；把电路板I(18)置于底座(12)的下空腔(1204)内的圆柱(1203)上，用螺钉IV(22)的螺杆(2203)穿过圆柱(1203)的螺纹孔，把电路板I(18)和底座(12)紧固连接；再把电路板II(19)置于电路板I(18)下面的螺钉IV(22)上，分别把螺钉IV(22)插入固定电路板I(18)螺钉IV(22)的螺纹孔(2202)中，把电路板II(19)与固定电路板I(18)连接；依次把电路板III(20)和电路板IV(21)连接起来；由于凸台(2201)的隔离使电路板之间有空隙。
4.如权利要求1所述的一种多振子旋转型压电电机，其特征在于，所述的王字型框(801)的弹性材料为紫铜。
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