CN107834899A - 一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，属于超声电机技术领域。在电机定子上集成有铁磁功能性材料时，可以通过外加磁场，改变电机定子的杨氏模量及重心，从而实现调节超声电机两相模态频率差和转向的目的。该方法有助于改善双模态超声电机因加工误差、材料不均匀，以及温度、预压力和负载等参数变化引起的两相工作模态的共振频率差增大的问题，对于提高超声电机的效率，改善电机的性能有明显作用。同时，该方法还能够克服单相激励型超声电机存在的转向不可调的问题，有助于提高超声电机的分辨率，促进其在紧密驱动领域的应用。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种调节超声电机频率和转向的方法，属于超声电机技术领域。
背景技术
超声电机是一个典型的机电一体化产品，由电机本体和控制驱动电路两部分组成。产品涉及到振动学、波动学、材料学、摩擦学、电子科学、计算技术和实验技术等多个领域。
超声电机利用压电材料的逆压电效应实现将输入的电能转化为定子的微观振动能，再通过定、转子之间的摩擦耦合作用将定子的振动能转换为转子的宏观能量输出。与电磁电机相比，压电电机具有结构紧凑、能量密度大、无电磁干扰和可直接驱动等特点，并且电机的设计灵活、结构形式多样、更易于微型化。
对基于两相模态的超声电机而言，由于超声电机需要工作在共振状态，因此通常需要通过调节电机定子的尺寸、开槽和增加附加质量等方式实现两工作模态共振频率一致性的问题。但是，在实际的加工过程中，由于加工误差和材料不均匀等缺陷，往往会造成加工好的电机定子存在两相模态频率不一致的问题。另外，预压力、温度和负载等外部条件的变化等也会使得电机工作过程中定子两相模态频率之间的差值变大，从而使电机的转速迅速减小甚至停转，电机性能迅速降低。
另外，通常超声电机由两相激励电压激励，并通过调节两相激励电压之间的相位差，改变电机的转向。因此，对单相激励型超声电机而言，电机存在着转向不可调的问题。
发明内容
根据现有技术的不足，本发明提供一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，该方法有助于改善双模态超声电机因加工误差、材料不均匀，以及温度、预压力和负载等参数变化引起的两相工作模态的共振频率差增大的问题，对于提高超声电机的效率，改善电机的性能有明显作用。
本发明按以下技术方案实现：
一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，在电机定子上集成有铁磁功能性材料时，通过外加磁场，改变电机定子的杨氏模量及重心，从而实现调节超声电机两相模态频率差和转向的目的。
优选的是，在纵弯复合模态的超声电机定子上设有铁磁功能性材料，通过外加磁场，改变整个复合型定子的杨氏模量及重心，进而使得定子所选的工作模态的共振频率发生变化。
优选的是，定子由激励振动的压电陶瓷片和频率调节元件磁致伸缩材料板复合而成；四片压电陶瓷分别对称粘接在磁致伸缩材料板的一侧，定子中心开有驱动孔，驱动孔一边倒圆，为一锥形驱动表面，用以驱动转子；转子被弹性结构压紧在定子驱动孔的驱动表面上，并与转轴同步旋转，使得定子能通过摩擦作用驱动转子旋转，并通过轴输出运动和力矩。
优选的是，定子中的磁致伸缩材料板沿长度方向磁化，定子中的压电陶瓷片沿厚度方向极化，对角线上的压电陶瓷片极化方向相反，相邻的两片压电陶瓷的极化方向相同，并且在压电陶瓷片的上、下表面镀有均匀分布的电极；定子的工作模态为一阶纵振模态和二阶弯曲模态的复合模态。
优选的是，在单相激励型超声电机定子上设有铁磁功能性材料，通过外加磁场，改变整个复合型定子的杨氏模量及重心，进而改变单相激励型超声电机的转向。
优选的是，定子由八边形定子金属基体、粘贴的压电陶瓷片和磁致伸缩材料板构成；转子贯穿于中空定子及定子的匹配端，并通过预压力机构将转子压紧在定子驱动表面上；所述定子驱动转子旋转，电机的运动和力矩通过输出轴输出，输出轴贯穿整个定子；所述预压力机构包括两组蝶形弹簧和卡箍，所述转子的上下轴向面各设有一个穿插在输出轴中的碟形弹簧，每一个碟形弹簧又通过紧固在输出轴上的卡箍实现压紧转子。
优选的是，压电陶瓷片的极化方向沿定子体的外法线方向，磁致伸缩材料板沿长度方向磁化；定子的所选工作模态为两二阶面内弯曲模态。该定子结构下，在外加交变磁场条件下，同样可以激励出电机定子的两二阶面内弯曲模态，即该定子结构有电激励和磁激励两种激励方式。
优选的是，在纵扭模态转换型电机定子上设有铁磁功能性材料，通过外加磁场，改变定子的杨氏模量及重心，进而调节电机的转向。
优选的是，定子由金属基体、粘贴的压电陶瓷片和磁致伸缩材料板构成；其中，磁致伸缩材料采用圆环形薄片，金属基体上开有多个凹槽。优选的是，定子中的压电陶瓷片沿厚度方向极化，磁致伸缩材料沿厚度方向磁化。该定子结构下，在外加交变磁场条件下，同样可以激励出电机定子的纵振模态，并通过开槽实现将激励出的部分纵振模态转换为扭转模态，即该定子结构有电激励和磁激励两种激励方式。但是，由于采用的铁磁功能性材料为磁致伸缩圆环片，其厚度远小于定子体的长度，因此，可大大降低交变磁场磁激励下产生的涡流损耗。
本发明有益效果：
本发明提出了一种超声电机的频率和转向调节方法，并具体提出了通过在电机定子上集成有铁磁功能性材料，如：磁致伸缩材料，来实现设计目标。该方法有助于改善双模态超声电机因加工误差、材料不均匀，以及温度、预压力和负载等参数变化引起的两相工作模态的共振频率差增大的问题，对于提高超声电机的效率，改善电机的性能有明显作用。同时，该方法还能够克服单相激励型超声电机存在的转向不可调的问题，有助于提高超声电机的分辨率，促进其在紧密驱动领域的应用。
附图说明
图1为基于纵弯复合模态的超声电机定子；
图2为单相激励型超声电机定子；
图3为采用图2中的定子时电机的结构示意图；
图4为单相电压激励的纵扭模态转换型电机定子的几何示意图。
具体实施方式
以下结合附图，通过具体实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一
纵弯复合型超声电机定子的结构具体如图1所示。电机定子有多种结构，并不仅限于图中的结构，主要利用定子的重心及杨氏模量会随外加磁场在一定程度上变化，以及杨氏模量对两模态共振频率的影响因子不同的特性，达到缩小两模态共振频率之间的差值的目的。
电机定子由激励振动的压电陶瓷片和频率调节元件磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅰ15复合而成，四片压电陶瓷分别对称粘接在磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅰ15的一侧，定子中心开有驱动孔13，驱动孔13一边倒圆，为一锥形驱动表面14，用以驱动转子。转子被弹性结构压紧在驱动孔13的驱动表面14上，并与转轴同步旋转，使得定子能通过摩擦作用驱动转子旋转，并通过输出轴输出运动和力矩。定子中的磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅰ15沿长度方向磁化，定子中的压电陶瓷片沿厚度方向极化，对角线上的压电陶瓷片极化方向相反，相邻的两片压电陶瓷的极化方向相同，并且在压电陶瓷片的上、下表面镀有均匀分布的电极。定子的工作模态为一阶纵振模态和二阶弯曲模态的复合模态。激励时，将四片压电陶瓷分为两组，其中，压电陶瓷片Ⅰ11为一组，其上表面电极用于连接正弦激励信号，压电陶瓷片Ⅱ12为另一组，用于连接余弦激励信号，并且将两组压电陶瓷片的下表面电极接地。当在两组压电片上同时施加相位差为90°的正弦激励电压时，可以同时激励出电机工作所需的一阶纵振模态和二阶弯曲模态。
同样地，该方法同样适用于基于一阶纵振模态和高阶弯曲模态的纵弯复合型电机。
当定子处于外加磁场下时，磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅰ15的杨氏模量会随着外加磁场而改变，从而改变整个复合型定子的杨氏模量及重心等，进而使得定子所选的工作模态的共振频率发生变化。但由于定子杨氏模量的改变对两模态共振频率的影响作用不同，会使得两模态的共振频率增加或减小的程度不同，从而实现缩小两模态共振频率之间的差值，改进电机性能的目的。另外，为增加电机的输出力，还可在磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅰ15和压电陶瓷片中间增加一层金属基体板。但此时，磁致伸缩材料Terfenol-D板对两模态共振频率的影响会随着其位置的改变而改变。摩擦材料附着在定子上或转子上，或在定子和转子上同时附着有不同的摩擦材料，构成摩擦副。
定子驱动表面上可以开有退屑槽。
实施例二
图2为单相激励型超声电机定子。定子由八边形定子金属基体21、粘贴的压电陶瓷片Ⅲ22和磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅱ23构成。
如图3所示，转子24贯穿于中空定子及定子的匹配端25，并通过预压力机构将转子24压紧在定子驱动表面；所述定子驱动转子24旋转，电机的运动和力矩通过输出轴输出，输出轴贯穿整个定子；所述预压力机构包括两组蝶形弹簧26和卡箍27，所述转子24的上下轴向面各设有一个穿插在输出轴28中的碟形弹簧26，每一个碟形弹簧26又通过紧固在输出轴28上的卡箍27实现压紧转子24。
压电陶瓷片Ⅲ22的极化方向沿定子体的外法线方向，磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅱ23沿长度方向磁化。定子的所选工作模态为两二阶面内弯曲模态，当在定子组件一侧的压电陶瓷片Ⅲ22经过矩形板电极输入一相驱动电压信号，压电陶瓷片Ⅲ22在逆压电效应下可激发出其变形，由于压电陶瓷片Ⅲ22的变形方向与定子两二阶面内弯曲模态下的振动方向均有一定夹角，因此，可同时激励出电机定子正常工作所需的两二阶面内弯曲振动模态。两弯曲振动模态下，定子沿两个方向弯曲振动的叠加形成了定子驱动面质点的椭圆运动，进而通过摩擦作用驱动转子24沿某一方向旋转。
磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅱ23则用以调节两模态的共振频率。由于该结构下，定子具有不对称结构，因此，在外加磁场作用下，磁致伸缩材料杨氏模量的改变会改变整个定子的重心及定子的对称性，从而使得磁致伸缩材料杨氏模量的改变会对两模态共振频率的影响不同，达到调节两模态频率差的目的。
由于该定子结构下，电机采用单相激励模式，因此，还可通过外加磁场改变电机的转向，实现调节电机转向的目的。
另外，该定子结构下，由于粘贴的压电陶瓷片Ⅲ22和磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅱ23所处的位置相似，因此，对于该结构的电机定子而言，在外加交变磁场的激励下，同样可激励出电机工作所需的振动模态。即对于图2中的定子结构而言，有电场和磁场两种激励方式。
摩擦材料附着在定子上或转子上，或在定子和转子上同时附着有不同的摩擦材料，构成摩擦副。
定子驱动表面上可以开有退屑槽。
实施例三
图4为纵扭模态转换型电机定子的几何示意图。定子由金属基体、粘贴的压电陶瓷片Ⅳ31和磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅲ32构成。实施例一和实施例二中的磁致伸缩材料Terfenol-D采用矩形板状结构，本实施例中的磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅲ32采用圆环形薄片。图中，定子中的压电陶瓷片Ⅳ31沿厚度方向极化，磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅲ32沿厚度方向磁化。
通常地，当在压电陶瓷片Ⅳ31上施加沿厚度方向的正弦交变电场时，可以激励出电机定子的纵振模态，由于定子体33上凹槽34的影响，可以将一部分纵振模态转换为扭转模态，从而驱动转子旋转。对于该模态转换型电机而言，电机存在着转向不可调的问题。
电激励下，可通过在磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅲ32上施加一定的磁场来改变其杨氏模量，进而调节因加工误差、温度、预压力和负载等不可控的外界条件的变化而引起的两模态共振频率差的增加。同时，在外加磁场作用下，整个定子的重心也会发生偏移，从而可实现调节电机转向的目的。
与实施例2类似，该定子结构下，由于压电陶瓷片Ⅳ31和磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅲ32所处的位置相似，因此，对于该结构的电机定子而言，在外加交变磁场的激励下，同样可激励出电机定子的纵振模态，定子体上的凹槽34可以将一部分纵振模态转换为扭转模态，从而驱动转子旋转。即对于图3中的定子结构而言，有电场和磁场两种激励方式。
另外，相比于实施例二中的定子结构，由于该定子结构下，磁致伸缩材料Terfenol-D板Ⅲ32为薄的圆环片，因此，在交变磁场激励下，电机定子产生的涡流损耗较小。
摩擦材料附着在定子上或转子上，或在定子和转子上同时附着有不同的摩擦材料，构成摩擦副。
定子驱动表面上可以开有退屑槽。
综上所述，电机定子可以有多种结构，并不仅限于以上三个实施例中的结构。理论上，只要在定子体上合理分布磁致伸缩材料，就可用于调节定子的杨氏模量及重心，从而实现调节调节超声电机两相模态频率差和转向的目的。
本发明虽然已详细描述了各种概念，但本领域技术人员可以理解，对于那些概念的各种修改和替代在本发明公开的整体教导的精神下是可以实现的。可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
Claims (10)
1.一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：在电机定子上集成有铁磁功能性材料时，通过外加磁场，改变电机定子的杨氏模量及重心，从而实现调节超声电机两相模态频率差和转向的目的。
2.根据权利要求1所述的一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：在纵弯复合模态的超声电机定子上设有铁磁功能性材料，通过外加磁场，改变整个复合型定子的杨氏模量及重心，进而使得定子所选工作模态的共振频率发生变化。
3.根据权利要求2所述的一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：定子由激励振动的压电陶瓷片和频率调节元件磁致伸缩材料板复合而成；
四片压电陶瓷分别对称粘接在磁致伸缩材料板的一侧，定子中心开有驱动孔，驱动孔一边倒圆，为一锥形驱动表面，用以驱动转子；转子被弹性结构压紧在定子驱动孔的驱动表面上，并与转轴同步旋转，使得定子能通过摩擦作用驱动转子旋转，并通过轴输出运动和力矩。
4.根据权利要求3所述的一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：定子中的磁致伸缩材料板沿长度方向磁化，定子中的压电陶瓷片沿厚度方向极化，对角线上的压电陶瓷片极化方向相反，相邻的两片压电陶瓷的极化方向相同，并且在压电陶瓷片的上、下表面镀有均匀分布的电极；
定子的工作模态为一阶纵振模态和二阶弯曲模态的复合模态。
5.根据权利要求1所述的一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：在单相激励型超声电机定子上设有铁磁功能性材料，通过外加磁场，改变整个复合型定子的杨氏模量及重心，进而改变单相激励型超声电机的转向。
6.根据权利要求5所述的一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：定子由八边形定子金属基体、粘贴的压电陶瓷片和磁致伸缩材料板构成；
转子贯穿于中空定子及定子的匹配端，并通过预压力机构将转子压紧在定子驱动表面；
所述定子驱动转子旋转，电机的运动和力矩通过输出轴输出，输出轴贯穿整个定子；
所述预压力机构包括两组蝶形弹簧和卡箍，所述转子的上下轴向面各设有一个穿插在输出轴中的碟形弹簧，每一个碟形弹簧又通过紧固在输出轴上的卡箍实现压紧转子。
7.根据权利要求6所述的一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：压电陶瓷片的极化方向沿定子体的外法线方向，磁致伸缩材料板沿长度方向磁化；
定子的所选工作模态为两二阶面内弯曲模态。
8.根据权利要求1所述的一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：在纵扭模态转换型电机定子上设有铁磁功能性材料，通过外加磁场，改变定子的杨氏模量及重心，进而调节电机的转向。
9.根据权利要求8所述的一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：定子由金属基体、粘贴的压电陶瓷片和磁致伸缩材料板构成；其中，
磁致伸缩材料采用圆环形薄片，金属基体上开有多个凹槽。
10.根据权利要求9所述的一种调节超声电机两相模态频率差和转向的方法，其特征在于：定子中的压电陶瓷片沿厚度方向极化，磁致伸缩材料沿厚度方向磁化。
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