CN106452172B - 对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机及其控制方法，包括压电陶瓷，压电陶瓷包括A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷，各陶瓷分区在空间上沿圆周依次按A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B4区压电陶瓷和B3区压电陶瓷排列，且彼此间隔四分之一的波长，各区陶瓷在空间上各占据两个波长，压电陶瓷的每个极化分区的宽度为二分之一波长，按逆时针方向，所有区的压电陶瓷极化分区极化方向均按“+－+－”依次排列。该电机及其控制方法具有传统的细分陶瓷结构的空间调相环形行波超声波电机的全部功能和优点，且压电陶瓷的每个极化分区更宽，各区压电陶瓷的所有极化分区在空间上保持连续，加工和制作更为方便和精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机及其控制方法。
背景技术
空间调相环形行波超声波电机是一种通过电压调节实现空间相位控制的环形行波超声波电机，空间相位这一新的控制量为环形行波电机的控制提供了更多的选择。
目前传统的空间调相环形行波超声波电机的压电陶瓷采用细分陶瓷结构，其每个陶瓷分区为传统环形行波超声波电机的一半，其分区数目则增加一倍，这会产生以下问题：1.各分区间绝缘的总面积增加，导致覆银面积减小，电机功率下降；2.各相分区互相间隔，导致电机的接线复杂和困难；3.陶瓷分区面积减小，导致陶瓷加工的困难，且无助于陶瓷加工精度的提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机及其控制方法，具有全新的陶瓷分区结构，简化空间调相环形行波电机的制作，提高电机的加工精度，并配合相应的电源方案，解决现有技术中存在的上述问题。
本发明的技术解决方案是：
一种对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机，包括压电陶瓷，压电陶瓷包括A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷，各陶瓷分区在空间上沿圆周依次按A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B4区压电陶瓷和B3区压电陶瓷排列，且彼此间隔四分之一的波长，各区陶瓷在空间上各占据两个波长。
进一步地，压电陶瓷的每个极化分区的宽度为二分之一波长，按逆时针方向，所有区的压电陶瓷极化分区极化方向均按“+－+－”依次排列，“+”表示正向极化，“－”表示反向极化，对极化的正方向可自由定义，仅要求其垂直于陶瓷平面即可。
一种上述对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机的控制方法，A1、A2区压电陶瓷上施加相同时间相位，不同幅值的电源一、电源二；B3、B4区压电陶瓷上施加相同时间相位，不同幅值的电源三、电源四；A1、A2区压电陶瓷上施加的电源与B3、B4区压电陶瓷上施加的电源在时间相位上相差π/2恒定；A1、B4区压电陶瓷上施加的电源具有相同幅值绝对值；A2、B3区压电陶瓷上施加的电源具有相同幅值绝对值；任意三个电源幅值为正，另一个电源的幅值为负。
进一步地，设定a为电源一和电源四的电压幅值绝对值，b为电源二和电源三的电压幅值绝对值，θ反应两个不同时间相位的驻波在空间“移动”的角度，与电源幅值绝对值a、b有关，满足：
改变电源幅值绝对值a、b的大小关系，实现改变两个不同时间相位的驻波在空间“移动”的角度θ，进而改变电机定子中行波分量和驻波分量的比值关系，实现空间调相控制。
本发明的有益效果是：该种对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机及其控制方法，具有如下优点，
一、本发明中，A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷在机械空间上互相独立，单个分区的所有陶瓷片保持空间上的连续，较之传统的细分陶瓷结构的空间调相环形行波超声波电机接线更为简化；
二、压电陶瓷的极化分区宽度为传统细分陶瓷结构的空间调相环形行波超声波电机压电陶瓷极化宽度的两倍，同传统环形行波超声波电机的宽度一致，较之传统的细分陶瓷结构的空间调相环形行波超声波电机，其不会有功率损失，陶瓷加工精度也能与传统环形行波超声波电机保持一致。
附图说明
图1是本发明实施例对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机的结构示意图；
图2是本发明的压电陶瓷极化分区方案和电源连接方案示意图。
其中：1-端盖，2-轴承一，3-轴承二，4-转轴，5-转子，6-定子，7-底座，8-A1区压电陶瓷，9-A2区压电陶瓷，10-B3区压电陶瓷，11-B4区压电陶瓷，12-电源一，13-电源二，14-电源三，15-电源四。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
如图1所示，一种对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机包括端盖1、轴承一2、轴承二3、转轴4、转子5、定子6、底座7和压电陶瓷。除压电陶瓷的分区和极化分区方式外，电机的其它结构、材料以及装配方案与传统环形行波超声波电机完全一致。实施例的对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机的压电陶瓷分为A1区压电陶瓷8、A2区压电陶瓷9、B3区压电陶瓷10和B4区压电陶瓷11。如图2所示，电机工作时，在定子圆周上分布有九个波长的空间行波，如每个行波波长计为空间相位2π，整个圆周可计为空间相位18π。按逆时针方向，定义A1区压电陶瓷8的起始位置为起始位置，则4π处为A1区压电陶瓷8的结束位置，4.5π处为A2区压电陶瓷9的起始位置为起始位置，8.5π处为A2区压电陶瓷9的结束位置，9π处为B4区压电陶瓷11的起始位置为起始位置，13π处为B4区压电陶瓷11的结束位置，13.5π处为B3区压电陶瓷10的起始位置为起始位置，17.5π处为B3区压电陶瓷10的结束位置。A1区压电陶瓷8、A2区压电陶瓷9、B3区压电陶瓷10和B4区压电陶瓷11中各含有四个压电陶瓷极化分区，极化分区的宽度为空间相位长度π，也即二分之一基波波长，与传统环形行波超声波电机一样，是传统细分陶瓷结构的空间调相环形行波超声波电机的两倍。A1区压电陶瓷8、A2区压电陶瓷9、B3区压电陶瓷10和B4区压电陶瓷11中内部的极化分区沿逆时针方向均是按“+－+－”方向进行极化的。“+”表示正向极化，“－”表示反向极化，对极化的正方向可自由定义，仅要求其垂直于陶瓷平面即可。
实施例的对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机具有传统细分陶瓷结构的空间调相环形行波超声波电机的全部功能和优点，且压电陶瓷的每个极化分区更宽，各区压电陶瓷的所有极化分区在空间上保持连续，加工和制作更为方便和精确。
对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机必须配合新的电源方案才能实现空间移相控制。新的电源方案采用了四个电源：电源一12，电源二13，电源三14，电源四15。电源一12与A1区压电陶瓷8所有的极化分区连接，电源二13与A2区压电陶瓷9所有的极化分区连接，电源三14与B3区压电陶瓷10所有的极化分区连接，电源四15与B4区压电陶瓷11所有的极化分区连接。电源一12与电源二13具有相同的时间相位。电源三14与电源四15具有相同的时间相位，且与电源一12和电源三14在时间相位相差π/2。电源一12与电源四15具有相同的电压幅值绝对值，电源二13和电源三14具有相同的电压幅值绝对值，任意三个电源的幅值为正，另一个电源的幅值为负，因此电源方案共四种：
第一种，电源方案一：电源表达式描述为电源一12为-acosωt、电源二13为bcosωt、电源三14为bsinωt、电源四15为asinωt；a为电源一12和电源四15的电压幅值绝对值，b为电源二13和电源三14的电压幅值绝对值，电压幅值绝对值a和b为标么值。
四个电源在定子上激发四个驻波，其表达式为：
时间相位相同的两个驻波两两合成新的驻波，其表达式为：
上述两个合成驻波最终定子上合成的复合波包含行波分量和驻波分量。其中θ反应了两个不同时间相位的驻波在空间移动的角度，与电源幅值绝对值a，b有关，满足：
改变电源幅值绝对值a，b的大小关系，可以改变θ，进而改变电机定子中行波分量和驻波分量的比值关系，实现空间调相控制。
上述式中，ar，br为驻波横向振动振幅，r是驻波幅值相对于电压幅值的系数，x为空间位置角度，ω为振动角频率，n＝l/λ是沿定子圆周的波数，l是定子周长，λ为弹性波长，t为时间。说明书中相同符号表示相同的含义。
第二种，电源方案二：电源表达式描述为电源一12为a cosωt、电源二13为-b cosωt、电源三14为b sinωt、电源四15为a sinωt；a为电源一12和电源四15的电压幅值绝对值，b为电源二13和电源三14的电压幅值绝对值，电压幅值绝对值a和b为标么值。
四个电源在定子上激发四个驻波，其表达式为：
时间相位相同的两个驻波两两合成新的驻波，其表达式为：
上述两个合成驻波最终定子上合成的复合波包含行波分量和驻波分量。改变电源幅值绝对值a，b的大小关系，可以改变θ，进而改变电机定子中行波分量和驻波分量的比值关系，实现空间调相控制。
第三种，电源方案三：电源表达式描述为电源一12为a cosωt、电源二13为b cosωt、电源三14为-b sinωt、电源四15为a sinωt；a为电源一12和电源四15的电压幅值绝对值，b为电源二13和电源三14的电压幅值绝对值，电压幅值绝对值a和b为标么值。
四个电源在定子上激发四个驻波，其表达式为：
时间相位相同的两个驻波两两合成新的驻波，其表达式为：
上述两个合成驻波最终定子上合成的复合波包含行波分量和驻波分量。改变电源幅值绝对值a，b的大小关系，可以改变θ，进而改变电机定子中行波分量和驻波分量的比值关系，实现空间调相控制。
第四种，电源方案四：电源表达式描述为电源一12为a cosωt、电源二13为b cosωt、电源三14为b sinωt、电源四15为-a sinωt；a为电源一12和电源四15的电压幅值绝对值，b为电源二13和电源三14的电压幅值绝对值，电压幅值绝对值a和b为标么值。电机定子中的驻波分量及复合波形表达式类似于电源方案1。
四个电源在定子上激发四个驻波，其表达式为：
时间相位相同的两个驻波两两合成新的驻波，其表达式为：
上述两个合成驻波最终定子上合成的复合波包含行波分量和驻波分量。改变电源幅值绝对值a，b的大小关系，可以改变θ，进而改变电机定子中行波分量和驻波分量的比值关系，实现空间调相控制。
Claims (1)
1.一种对称陶瓷分区的空间调相环形行波超声波电机，其特征在于：包括压电陶瓷，压电陶瓷包括A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B3区压电陶瓷和B4区压电陶瓷，各陶瓷分区在空间上沿圆周依次按A1区压电陶瓷、A2区压电陶瓷、B4区压电陶瓷和B3区压电陶瓷排列，且彼此间隔四分之一的波长，各区陶瓷在空间上各占据两个波长；压电陶瓷的每个极化分区的宽度为二分之一波长，按逆时针方向，所有区的压电陶瓷极化分区极化方向均按“+－+－”依次排列，“+”表示正向极化，“－”表示反向极化，对极化的正方向自由定义，仅要求其垂直于陶瓷平面即可；A1、A2区压电陶瓷上施加相同时间相位，不同幅值的电源一、电源二；B3、B4区压电陶瓷上施加相同时间相位，不同幅值的电源三、电源四；A1、A2区压电陶瓷上施加的电源与B3、B4区压电陶瓷上施加的电源在时间相位上相差π/2恒定；A1、B4区压电陶瓷上施加的电源具有相同幅值绝对值；A2、B3区压电陶瓷上施加的电源具有相同幅值绝对值；任意三个电源幅值为正，另一个电源的幅值为负；设定a为电源一和电源四的电压幅值绝对值，b为电源二和电源三的电压幅值绝对值，θ反应两个不同时间相位的驻波在空间移动的角度，与电源幅值绝对值a、b有关，满足：
改变电源幅值绝对值a、b的大小关系，实现改变两个不同时间相位的驻波在空间移动的角度θ，进而改变电机定子中行波分量和驻波分量的比值关系，实现空间调相控制。
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