CN106549603B - 一种单振子激励的双行波旋转超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单振子激励的双行波旋转超声电机，包括转子、定子、定子基座、基座轴承、预紧联接座、预紧螺栓和转子输出轴，转子安装在转子输出轴的底端，定子安装在定子基座的顶端，基座轴承安装在定子基座的底端，预紧联接座安装在基座轴承的内孔并与转子输出轴联接，预紧螺栓穿过预紧联接座的内孔与转子输出轴紧固螺接。其中转子与定子具有一致的固有频率。电机工作时仅需对定子进行供电激励，即可在转子、定子上分别产生相同振型、传播方向一致的两相行波。本发明提高了传统行波旋转超声电机的输出性能，并克服了已有双行波旋转超声电机因需对转子进行电压激励而引入的一系列问题。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机领域，尤其涉及到行波旋转超声电机。
背景技术
超声电机，尤其是行波旋转超声电机的出现突破了传统电磁电机的工作原理限制，其利用压电材料的逆压电效应使定子质点的微观振动转换为转子的宏观旋转运动，具有响应快、低转速大扭矩、高功率密度、无电磁干扰等优点，已广泛应用于航天、激光仪器、镜头对焦等精密机械领域。传统行波旋转超声电机通过定子上行波波峰处对转子的挤压作用产生摩擦力驱动转子运动，其存在的机械转换效率低、输出性能有限、摩擦层易损耗、寿命短的缺点长期制约着行波旋转超声电机在更广泛领域对电磁电机的替代应用。2012年，专利CN102647108A提出了一种类齿轮啮合的双行波旋转超声电机，通过对定转子分别施加电压激励产生出两相行波，期望利用行波间的类齿轮啮合作用来改善接触界面的接触特性并提高其输出性能。2016年，文章《Design and performance analysis of a rotarytraveling wave ultrasonic motor with double vibrators》论述了双振子激励的双行波旋转超声电机的设计方法、接触机理及实验效果。然而之前报道的双振子激励的双行波旋转超声电机需要采用电滑环来解决转子的电压激励问题。电滑环的引入使双行波旋转超声电机的设计复杂、体积增大、稳定性降低、驱动控制单元需重新设计、成本增高，这些新增缺点不利于超声电机的微型化发展，进而限制了其广泛应用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种单振子激励的双行波旋转超声电机，能够改善传统行波旋转超声电机定转子的接触特性，提高其输出性能；并能克服已有双行波旋转超声电机因转子需要电压激励而引入的一系列问题。其对于超声电机的微型化、产业化发展具有重要意义。
发明内容
鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是开发一种单振子激励的双行波旋转超声电机。其能改善传统行波旋转超声电机定转子接触特性，提高其输出性能；并且能解决现有双行波旋转超声电机由于定转子均需电压激励而引入的一系列问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种单振子激励的双行波旋转超声电机，包括转子、定子、定子基座、基座轴承、预紧联接座、预紧螺栓和转子输出轴，转子安装在转子输出轴的底端，定子安装在定子基座的顶端，基座轴承安装在定子基座的底端，预紧联接座安装在基座轴承的内孔并与转子输出轴联接，预紧螺栓穿过预紧联接座的内孔与转子输出轴紧固螺接。
进一步地，转子和定子被设置为具有一致的固有频率。
进一步地，转子不需施加电压激励，仅需对定子施加电压激励。
进一步地，定子在电压激励下产生两相驻波并合成为一相行波。
进一步地，转子利用定子的振动作为激励源，产生具有相同振型、传播方向一致的另一相行波。
进一步地，由于转子与定子上两相行波同向，转子与定子上的接触质点按照椭圆运动轨迹彼此驱动，由此提高电机的输出性能。
进一步地，转子采用环形结构，由弹性体制造而成。
进一步地，转子采用环形结构，由弹性体及其他材料组成的复合结构制造而成。
进一步地，定子采用环形结构，由弹性体和压电陶瓷片组成。
进一步地，弹性体的材料被设置为金属材料或非金属材料。
进一步地，金属材料采用合金铜、合金铝、合金钢中的一种；非金属材料采用聚甲醛(POM)树脂、聚苯硫醚(PPS)树脂、聚醚醚酮(PEEK)树脂中的一种。
进一步地，转子接触平面的表面粗糙度被设置为不大于所述定子接触平面的表面粗糙度，转子接触平面的平面度被设置为不大于所述定子接触平面的平面度。
技术效果
1.单振子激励的双行波旋转超声电机与已有的双行波旋转超声电机相比，取消了电滑环结构，简化了设计、减小了体积、减轻了质量。适于双行波旋转超声电机的微型化发展。
2.单振子激励的双行波旋转超声电机与已有的双行波旋转超声电机相比，取消了对转子的电压激励，仅需对定子进行电压激励，简化了已有双行波旋转超声电机的驱动控制系统，降低了电机的整体成本。适于双行波旋转超声电机的产业化发展。
3.单振子激励的双行波旋转超声电机其转子与定子具有一致的固有频率，应用定子的振动作为转子的激励源，转子上将产生与定子振型相同、传播方向一致的另一相行波，改变了传统行波旋转超声电机接触界面的接触机理。
4.单振子激励的双行波旋转超声电机定转子上两相行波同向传播，其接触界面上的质点按照椭圆运动轨迹彼此驱动。相比传统的行波旋转超声电机，本发明提出的双行波旋转超声电机在理论上可使其速度加倍，扭矩提升。
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。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的一种单振子激励的双行波旋转超声电机的结构示意图。
图2是本发明的一个较佳实施例的一种单振子激励的双行波旋转超声电机的接触界面的驱动机理示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的一较佳实施例提供了一种单振子激励的双行波旋转超声电机，包括转子1、定子2、定子基座3、基座轴承4、预紧联接座5、预紧螺栓6和转子输出轴7。转子1安装在转子输出轴7的底端；定子2安装在定子基座3的顶端；定子基座3的底端设置有轴承安装孔，为保证轴承的有效工作，采用过盈配合将基座轴承4安装在轴承安装孔内，预紧联接座5通过过盈配合安装在基座轴承4的内孔并与转子输出轴7联接；预紧螺栓6穿过预紧联接座5的内孔与转子输出轴7紧固螺接。本发明的较佳实施例的一种单振子激励的双行波旋转超声电机还包括紧固件。
在转子1的机械加工要求中，为保证对接触质点微观振动的有效利用，转子1的接触平面表面粗糙度被设置为不大于定子2接触平面的表面粗糙度，转子1接触平面的平面度被设置为不大于定子2接触平面的平面度。
转子1和定子2被设置为具有一致的固有频率，且均被设置为环形结构。具体的，在该较佳实施例中，转子1具有与定子2一致的B09模态固有频率；通过三维设计软件设计转子结构模型，并利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对定子和转子模型进行仿真计算，得到转子的B09模态振型及其对应的固有频率，确保转子与定子固有频率一致。
转子1可以单独由弹性体制造，也可以采用由弹性体及压电陶瓷片组成的复合结构。定子2由弹性体及粘贴在弹性体底部的压电陶瓷片组成，压电陶瓷片分为两组且两组压电陶瓷片在空间布置上具有四分之一个波长的相差，每组压电陶瓷片在环形方向上按照扇形等分分区极化，极化方向为厚度方向，且相邻分区极化方向相反。
弹性体可以是金属材料如合金铜、合金铝、合金钢等；或非金属材料如聚甲醛(POM)树脂、聚苯硫醚(PPS)树脂、聚醚醚酮(PEEK)树脂等。
定子基座3用于螺接固定定子2，可采用不锈钢或铝合金中的一种材料制造，其底端设置有轴承安装孔用于安置基座轴承4。基座轴承4可采购微型轴承并通过过盈配合安装于定子基座3底部。
预紧联接座5可采用与定子基座3相同的材料制造，通过过盈配合安装于基座轴承4内孔。预紧螺栓6穿过预紧联接座5内孔将预紧联接座5与转子输出轴7有效联接，并保证转子1与定子2同轴。转子输出轴7可采用与定子基座3相同的材料制造，其底端与转子1螺接。
根据压电陶瓷的逆压电效应，通过在定子2上施加相位差为π/2的两相正弦电压，在定子2上产生两相驻波并合成为一相行波。驻波及行波的数学描述如式(1)、式(2)所示。
w(x,t)＝ξ0cos kxcos2πft (1)
ws(x,t)＝ξ0cos(kx+2πft) (2)
其中ξ0是位移振幅，k＝2π/λ，λ是波长，f是激振频率，w是质点位移。
将定子2的振动作为转子1的激励源，转子1的振动微分方程描述如式(3)所示。
其中mrp是转子质点质量，kr是转子弹性系数，cr是转子阻尼系数,msp定子质点质量,wr是转子质点位移。代入激励位移后，式(3)的通解描述如式(4)所示。
其中ξr是转子1上质点的位移幅值，是位移响应wr与激励源ws的相位差。通过对比式(2)与式(4)可以看出，通过定子2的振动对转子1激励，转子1上产生了与定子2行波传播方向相同的另一相行波，两相行波的相位差为
根据接触质点的椭圆运动理论，由于转子1与定子2上各有一相行波同向传播，其接触质点将彼此驱动使电机运转。电机转速与质点切向速度的关系如式(5)、式(6)所示。接触质点驱动机制如图2所示。
vm-vrp＝vsp (5)
vm＝vrp+vsp (6)
其中vrp是转子1上接触质点的切向速度,vsp是定子2上接触质点的切向速度，vm是电机旋转速度。
采用多物理场有限元软件COMSOL对转子1及定子2分别进行固有频率分析，通过对其设置材料并施加不同的约束条件，求出转子1及定子2各自的B09阶固有频率以确保其固有频率一致。
采用多物理场有限元软件COMSOL对转子1及定子2分别进行频率响应分析，通过对其设置不同的激励源，求出转子1及定子2在工作频率处(工作频率即为定子2的B09阶固有频率)各自的振型云图，以验证其振型一致。
通过以上实施方式可以制造出本发明所描述的单振子激励的双行波旋转超声电机样机，并理解其内在运行机理。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员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 (6)
1.一种单振子激励的双行波旋转超声电机，其特征在于，包括转子、定子、定子基座、基座轴承、预紧联接座、预紧螺栓和转子输出轴，所述转子安装在所述转子输出轴的底端，所述定子安装在所述定子基座的顶端，所述基座轴承安装在所述定子基座的底端，所述预紧联接座安装在所述基座轴承的内孔与所述转子输出轴联接，所述预紧螺栓穿过所述预紧联接座的内孔与所述转子输出轴紧固螺接；
所述转子被设置为不施加电压激励；所述定子被设置为施加电压激励，所述定子在电压激励下产生两相驻波并合成为一相行波；
所述转子被设置为利用所述定子的振动作为激励源，产生具有相同振型、传播方向一致的另一相行波；
所述转子接触平面的表面粗糙度被设置为不大于所述定子接触平面的表面粗糙度，所述转子接触平面的平面度被设置为不大于所述定子接触平面的平面度。
2.如权利要求1所述的一种单振子激励的双行波旋转超声电机，其特征在于，所述转子和所述定子被设置为具有一致的固有频率。
3.如权利要求2所述的一种单振子激励的双行波旋转超声电机，其特征在于，所述转子与所述定子上的接触质点按照椭圆运动轨迹彼此驱动。
4.如权利要求1所述的一种单振子激励的双行波旋转超声电机，其特征在于，所述转子采用环形结构，由弹性体制造而成。
5.如权利要求1所述的一种单振子激励的双行波旋转超声电机，其特征在于，所述定子采用环形结构，采用由弹性体及压电陶瓷片组成的复合结构。
6.如权利要求4或5所述的一种单振子激励的双行波旋转超声电机，其特征在于，所述弹性体的材料被设置为合金铜、合金铝、合金钢、聚甲醛(POM)树脂、聚苯硫醚(PPS)树脂、聚醚醚酮(PEEK)树脂中的一种。
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