CN108111056B - 基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机及工作模态 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机及其工作模态，其定子组件安装于转动组件与支座组件之间；利用定子组件特定的两相工作模态驱动，其中，面外反对称弯振模态用于实现转动组件与定子组件之间的接触与脱离，面内反对称弯振模态则分别实现驱动转动组件的转子形成绕转轴的旋转运动。本发明使电机能输出精密旋转运动，并使电机具有快速响应特性；能输出较大转动力矩，使电机具有大的动力密度，能够广泛应用于精密旋转驱动、小形和微形伺服执行机构的驱动。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用四音叉复合结构的面内振动工作模态和面外振动工作模态复合驱动的旋转超声电机，属于压电超声电机领域，具体地说是一种基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机及工作模态。
背景技术
超声电机发展于上世纪八十年代，它是基于逆压电效应的一种新型微特电机，其能量转换有两个过程，一是通过逆压电效应将电能通过机电耦合作用转化为振动形式能，一是将振动能转换为转子动能。超声电机具有结构简单、体积小、精度高、响应快、断电自锁、无电磁干扰等优点，很大程度弥补了传统电机在微领域及强电磁干扰环境下的不足。超声电机在现代微形飞行器、航天器件、相机、手表及办公自动化设备等方面都已成功应用，是其不可或缺的重要执行部件。目前，超声电机产业化主要集中于旋转形和直线形超声电机这两类电机，而旋转超声电机(PUSM)作为超声电机的一种特定形式，因存在运动和动力耦联特征，而使其技术冲突激增、设计复杂、驱动控制困难，从而造成其发展相对迟缓。国外研究方面，1992年麻省理工学院Anita M.Flynn等制作出微形行波旋转超声电机，定子的外径为2mm，内径为1.2mm，电机的转速范围为100～300r/min。1993年瑞士学者G.-A.Racine等制造出一种驻波驱动形旋转超声电机，电机尺寸为6mm×6mm×2mm，在10V的驱动电压下，无负载转速为600r/min。1998年，日本新生公司的研究人员K.Tani和M.Suzuki等开发出一种利用悬臂梁的伸缩和弯曲模态的新结构旋转电机，电机的直径为2mm,高度为2mm，在驱动电压峰值为10V时,转速可达450r/min。2002年宾州大学研制出一种利用中空金属柱体弯曲模态的旋转超声电机，这种电机的直径为2.4mm，长10mm，转速570r/min，输出力矩达1.8mN·m，效率为25％。在国内，1989年，清华大学的周铁英、董蜀湘等研制出了直径为1mm的微形圆柱式旋转超声电机，这种电机的最大输出扭矩为4μN·m，最高转速为1800r/min。浙江大学研究出了纵扭复合形旋转超声电机，该电机扭矩达到13.2N·m，空载转速12.6r/min的超声电机。南京航空航天大学的赵淳生院士对超声电机的运行机理、机电耦合动力学模型、结构参数优化设计、驱动控制以及试验技术等方面展开了系统而深入的研究，开发了包括TRUM系列圆板式行波形旋转超声电机在内的20多种超声电机。总体来看，现已推出的旋转超声电机结构形式还极其有限，电机的性能还有很大的提升空间。但是，由于旋转超声电机的响应快、动力密度大、定位精密高等优点，故在微驱动、微装配、机器人等许多高新技术领域中具有其它电机难以替代的重要作用，更在航空航天、核磁共振、精密光整加工、光纤装配、显微医学操作等众多领域内有着特殊重要的应用前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用四音叉式结构板内两两对称的音叉杆的面内弯振振动模态以及面外弯振振动模态驱动的旋转超声电机，使电机输出精密旋转运动，并具有快速响应特性，且能输出较大的转矩和动力密度。
鉴于上述目的，本发明采用以下技术方案来实现。基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机，包括定子组件、转动组件和支座组件，所述定子组件安装于所述转动组件与所述支座组件之间；
所述定子组件包括四组呈十字形连接的音叉结构板，音叉结构板由两根并列的音叉杆构成，且呈十字形连接的中心处设置有轴孔，音叉结构板的根部设置有定位孔；音叉杆呈矩形，其内部设置有改善定子模态的通孔，且音叉杆端部的正反面均设置有凸起的驱动足；音叉杆的四周表面均粘贴有压电陶瓷激励组件，压电陶瓷激励组件由面外弯振激励陶瓷和面内弯振激励陶瓷构成，音叉杆的正反平面均粘贴有面外弯振激励陶瓷，音叉杆的左右侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷；驱动足顶面涂覆有聚偏氟乙烯基材料；
所述转动组件包括转子、压环和预紧压板，转子的一面设置有环槽，该环槽与压环相对应匹配，预紧压板与转子的环槽之间安装有压环；转子的中心设置有键槽，转轴的一端由端头向内依次装有第一轴承、调整垫片和端盖，端盖安装于预紧压板中心孔内，转轴的另一端与键槽连接；轴端盖与第一轴承之间设置有调整垫片；
所述支座组件包括端盖和底板，底板的中间有凸台，凸台的中间设置轴孔，轴孔内安装有第二轴承，凸台上设有螺纹孔，凸台上面装有垫片，底板的四角安装有支座固定螺钉，底板通过螺栓与端盖连接，端盖内的中心设置有轴承座，轴承座内装有轴承；
所述定子固定螺钉穿过定位孔与凸台上的螺纹孔固定连接，驱动足的顶面与转动组件的转子底面连接。
优选地，所述面外弯振激励陶瓷分别对称粘贴于音叉杆的正反平面。
优选地，所述面内弯振激励陶瓷分别对称粘贴于音叉杆的左右侧面。
优选地，所述调整垫片至少为两片。
一种基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机的工作模态，利用定子组件特定的两相工作模态振动，其中，面外反对称弯振模态用于实现转动组件与定子组件之间的接触与脱离，面内对称弯振模态则实现驱动转动组件的转子形成绕转轴的旋转运动；
所述面外反对称弯振模态是基于压电陶瓷的逆压电效应，通过对面外弯振激励陶瓷施加特定的激励电压，上下对称的音叉杆和左右对称的音叉杆基于四音叉式结构板平面的面外弯曲振动，驱使上下对称的音叉杆和左右对称的音叉杆末端分别沿垂直于四音叉式结构板平面的两反方向弯曲并高出四音叉式结构板的平面，上下对称的音叉杆和左右对称的音叉杆的面外弯曲振动振形相反，使得四音叉式结构板的上下对称的音叉杆和左右对称的音叉杆上的驱动足分为两组交替的保持和转动组件的转子接触与分离；
所述面内对称弯振模态是通过对面内弯振激励陶瓷施加特定的激励电压，激发音叉杆的音叉杆基于四音叉式结构板平面的面内弯曲振动，四音叉式结构板的上下对称音叉杆面内弯曲振动振形反对称，使得上下对称音叉杆上的驱动足同时推动转动组件的转子产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶；四音叉式结构板的左右对称音叉杆面内的面内弯曲振动振形反对称，使得左右对称音叉杆上的驱动足同时的推动转动组件的转子产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶，从而推动转子形成xOy平面内绕转轴的旋转运动。
本发明的技术效果是：1、采用简单的四音叉式结构定子，实现转子的旋转驱动，避免了传统xOy转动装置中采用运动变换机构所带来的转动误差，从而使电机能输出精密旋转运动，并使电机具有快速响应特性；2、定子组件的四对驱动足交替地推动转动组件作旋转运动，能成倍增大电机输出转动力矩，使电机具有大的动力密度，并使电机运行更趋稳定；3、电机利用设置在四音叉式结构板平面内的驱动足对转子进行驱动，有利于实现电机微形化设计，能够广泛应用于精密旋转驱动、小形和微形伺服执行机构的驱动。
附图说明
图1为本发明的装配图；
图2为本发明中定子组件1的平面结构示意图；
图3为本发明中转动组件2的装配结构示意图；
图4为本发明中支座组件3的装配结构示意图；
图5为本发明中支座组件3底面的装配结构示意图；
图6为本发明中定子组件1的工作模态面内反对称弯振模态平面示意图；
图7为本发明中定子组件1的工作模态面外反对称弯振模态450斜视图；
图8为本发明中定子组件1的工作模态面外反对称弯振模态侧视图；
图9为本发明中定子组件1的压电陶瓷位置布置及其压电极化供电配置平面示意图；
图10为本发明中定子组件1的压电陶瓷位置布置及其压电侧极化供电配置侧视图；
图11为本发明中定子X向、Y向运动驱动原理示意图；
图12为本发明中定子运动驱动原理立体示意图；
图中:1-定子组件，11-音叉结构板，110-音叉杆，111-驱动足，112-通孔，113-上下对称的音叉杆，114-左右对称的音叉杆；12-压电陶瓷激励组件，121-面外弯振激励陶瓷，122-面内弯振激励陶瓷，13-轴孔，14-定位孔；
2-转动组件，21-转子，211-键槽，22-压环，23-预紧盖板，24-转轴，241-端盖，25-调整垫片，26-第一轴承；
3-支座组件，31-端盖，32-底板，33-凸台，34-垫片，35-支座固定螺钉，36-螺栓，37-第二轴承，38-定子固定螺钉。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图5，基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机，包括定子组件1、转动组件2和支座组件3，所述定子组件1安装于所述转动组件2与所述支座组件3之间；
所述定子组件1包括四组呈十字形连接的音叉结构板11，音叉结构板11由两根并列的音叉杆110构成，且呈十字形连接的中心处设置有轴孔13，每组音叉杆110的根部设置有定位孔14；音叉杆110呈矩形，其内部设置有改善定子模态的通孔112，且音叉杆110端部的正反面均设置有凸起的驱动足111；音叉杆110的四周表面均粘贴有压电陶瓷激励组件12，压电陶瓷激励组件12由面外弯振激励陶瓷121和面内弯振激励陶瓷122构成，音叉杆110的正反平面均粘贴有面外弯振激励陶瓷121，音叉杆110的左右侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷122；驱动足111顶面涂覆有聚偏氟乙烯基材料；
所述转动组件2包括转子21、压环22和预紧压板23，转子21的一面设置有环槽，该环槽与压环22相对应匹配，预紧压板23与转子21的环槽之间安装有压环22；转子21的中心设置有键槽211，转轴24的一端由端头向内依次装有第一轴承26、调整垫片25和端盖241，端盖241安装于预紧压板23中心孔内，转轴24的另一端与键槽211连接；
所述支座组件3包括端盖31和底板32，底板32的中间有凸台33，凸台33的中间设置轴孔，轴孔内安装有第二轴承37，凸台33上设有螺纹孔，凸台33上面装有垫片34，底板32的四角安装有支座固定螺钉35，底板32通过螺栓36与端盖31连接，端盖31内的中心设置有轴承座，轴承座内装有轴承26；
所述定子固定螺钉38穿过定位孔14与凸台33上的螺纹孔固定连接，驱动足111的顶面与转动组件2的转子21底面连接。
所述调整垫片25为两片。
一种基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机的工作模态，利用定子组件1特定的两相工作模态振动，其中，面外反对称弯振模态用于实现转动组件1与定子组件2之间的接触与脱离，面内反对称弯振模态则分别实现驱动转动组件2的转子21绕转轴的旋转运动；
所述面外反对称弯振模态是基于压电陶瓷的逆压电效应，通过对面外弯振激励陶瓷121施加特定的激励电压，激发音叉结构板11基于四音叉结构板平面的面外弯曲振动，驱使音叉结构板11末端分别沿垂直于四音叉结构板平面的两反方向弯曲并高出十字形结构板平面，上下对称的音叉杆113和左右对称的音叉杆114的面外弯曲振动振形相反，使得四音叉式结构中的上下对称的音叉杆113和左右对称的音叉杆114上的驱动足111分为两组交替的保持和转动组件2的转子21接触与分离；
所述面内反对称弯振模态是通过对面内弯振激励陶瓷122施加特定的激励电压，激发音叉杆110基于音叉结构板11平面的面内弯曲振动，上下对称的音叉杆113的面内弯曲振动振形反对称，使得上下对称的音叉杆113上的驱动足111同时推动转动组件2的转子21产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶；左右对称的音叉杆114的面内弯曲振动振形反对称，使得左右对称的音叉杆114上的驱动足111同时推动转动组件2的转子21产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶。从而形成绕转轴xoy面内的旋转运动。
实施例：本发明基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机，包括定子组件1、转动组件2和支座组件3，参见图1至图5。定子组件1位于支座组件3与转动组件2之间，通过驱动足111与转动组件2连接，并通过支座组件3的定子固定螺钉38与凸台33连接；所述定子组件1包括四组呈十字形连接的音叉结构板11，音叉结构板11由两根并列的音叉结构板110构成，且呈十字形连接的中心处设置有轴孔13，音叉结构板11的根部设置有定位孔14；音叉杆110呈矩形，其内部设置有改善定子模态的通孔112，且音叉杆110端部的正反面均设置有凸起的驱动足111；音叉杆110的四周表面均粘贴有压电陶瓷激励组件12，压电陶瓷激励组件12由面外弯振激励陶瓷121和面内弯振激励陶瓷122构成，音叉杆110的正反平面均粘贴有面外弯振激励陶瓷121，音叉杆110的左右侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷122；驱动足111顶面涂覆有聚偏氟乙烯基材料；所述转动组件2包括转子21、压环22和预紧压板23，转子21的一面设置有环槽，该环槽与压环22相对应匹配，预紧压板23与转子21的环槽之间安装有压环22；转子21的中心设置有键槽211，转轴24的一端由端头向内依次装有第一轴承26、调整垫片25和端盖241，端盖241安装于预紧压板23中心孔内，转轴24的另一端与键槽211连接；所述支座组件3包括端盖31和底板32，底板32的中间有凸台33，凸台33的中间设置轴孔，轴孔内安装有第二轴承37，凸台33上设有螺纹孔，凸台33上面装有垫片34，底板32的四角安装有支座固定螺钉35，底板32通过螺栓36与端盖31连接，端盖31内的中心设置有轴承座，轴承座内装有轴承26；所述定子固定螺钉38穿过定位孔14与凸台33上的螺纹孔固定连接，驱动足111的顶面与转动组件2的转子21底面连接。所述调整垫片25为两片。
如图2，在四音叉式结构的音叉结构板11的端部的平面均设置有驱动足111，置于音叉结构板11正面的驱动足111主要用于推动转动组件2做旋转运动，置于音叉结构板11背面的驱动足111，主要起改善定子工作模态的作用。在驱动足111平行于音叉结构板11平面的表面均涂覆了一层聚偏氟乙烯基材料，旨在增大定子组件1的驱动足111与转动组件2的转子21间的摩擦驱动力和延长电机使用寿命；音叉结构板11的内部均设置有调整孔112，孔的中心线与杆的中心重合，以利于实现定子三相工作模态的频率一致性和改善定子结构柔性；音叉结构板11四端设置螺纹孔14，螺纹孔14用以供定子组件1与支座组件3的连接，并起夹持固定的作用，四音叉式结构中心处设置有通孔13，用以与轴相连。
如图3，转子通过键槽211与输出旋转运动的轴24相连，压环22分别与预紧压板23、转子21通过环面接触，轴定位轴承26用以给输出旋转运动的轴24定位，与轴24过盈配合接触；
如图1和图5，定子组件1的音叉结构板11端部设置的螺纹孔14与支座组件3的凸台33之间装有垫片34用以实现定子组件1的预紧，垫片34和凸台33由中心孔进行同轴定位，通过支座组件3的定子固定螺钉38连接；定子组件1的驱动足与转动组件2的转子相接触，使得音叉杆11上的驱动足111与转子21形成移动副连接；底板32装有支座固定螺钉35用于将支座组件3安装固定在其他机构上。
如图2、图6至图9，压电陶瓷激励组件12由面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷121构成，音叉结构板11的平面粘贴有面外纵振激励陶瓷121，音叉结构板11的侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷122，总共包含三十二片高性能压电陶瓷片PZT8，各压电陶瓷片的压电极化方向均垂直于音叉结构板11粘贴表面，并与表面的法线方向平行；面内弯振激励陶瓷122和面外弯振激励陶瓷121分别用于激励定子组件1面内反对称弯振和面外对称弯振两相工作模态。
如图2、图6至图9，面内弯振激励陶瓷122由十六片压电陶瓷片组成，它们分别粘贴在音叉结构板11的左、右侧面，处于音叉结构板11面内弯振振形波峰(或波谷)处，且音叉结构板11的面内弯振激励陶瓷片的布设方式相同。
如图2、图6至图9，面外弯振激励陶瓷121由十六片压电陶瓷片组成，它们分别粘贴在音叉结构板11的正、反两面，处于音叉结构板11面外弯振振形波峰(或波谷)处，且音叉结构板11的面外弯振激励陶瓷片的布置方式相同。
本发明的旋转超声电机的工作原理是通过激发定子组件1的特定振动工作模态，驱使置于音叉结构板11正面上的驱动足111同时沿xOz平面与yOz平面做椭圆运动，由于上下对称的音叉杆113上的驱动足111同时推动转子产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶，左右对称的音叉杆114上的驱动足111同时推动转子产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶，借助驱动足111与转动组件2之间的摩擦耦合，推动转动组件2的转子21沿着定子1转轴线作旋转运动。
如图6至图8所示，所述的定子组件1特定工作模态主要包括上下对称的音叉杆113和左右对称的音叉杆114处于xOy面的面外反对称弯曲振动模态、面内反对称弯曲振动模态等两相工作模态。其中，面外反对称弯振模态主要用于实现转动组件2与定子组件1之间瞬时接触与分离，面内反对称弯振模态则用于实现驱动转动组件2绕转轴的旋转运动。电机基于左右对称的音叉杆114面内弯曲模态振动与面外弯曲模态振动，在驱动足111上合成出沿yOz面的椭圆运动轨迹，由于左右对称的音叉杆114上的驱动足111同时推动转子产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶；利用上下对称的音叉杆113面内弯曲模态振动与面外弯曲模态振动，在驱动足111上合成出沿xOz面的椭圆运动轨迹，由于上下对称的音叉杆113上的驱动足111同时推动转子产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶。所以，定子借助驱动足111与转动组件2之间的摩擦耦合，推动转动组件2的转子21沿着定子1转轴线作旋转运动。
为保证在驱动足111上同时合成出沿xOz和yOz面的椭圆运动，要求定子组件1的两相工作模态的固有频率相等或尽可能接近，同时为防止电机工作时产生机械噪声，必须通过合理配置定子组件1的各项结构尺寸，使两相工作模态频率处于超声频域且满足频率一致性。
如图9，为了有效、正确的激发定子组件1的面内对称弯曲工作模态振动，需在上下对称的音叉杆113和左右对称的音叉杆114左、右侧面粘贴的面内弯振激励陶瓷122上通入高频电功率驱动信号；分别将上下对称的音叉杆113和左右对称的音叉杆114左、右两侧的十六片面内弯振激励陶瓷122按对称性分成两组，同组内的陶瓷片采用相同极化方向。如图9，以“+”表示压电极化方向垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向定子组件1实体，以“-”表示压电极化方向垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向定子组件1实体，上下对称的音叉杆113和左右对称的音叉杆114的面内弯振激励陶瓷122的极化方向呈对称布置。所有的面内弯振激励陶瓷122的表面均通入同频正弦cosωt激励电压，面内弯振激励陶瓷122与四音叉式结构音叉结构板11的粘贴面均接地接入零激励电压。
如图10，为有效、正确的激发定子组件1的面外反对称弯曲工作模态振动，需在上下对称的音叉杆113和左右对称的音叉杆114正、反面粘贴的面外弯振激励陶瓷121上通入高频电功率驱动信号，该驱动信号频率应与面内弯振激励信号相同。如图10，位于上下对称的音叉杆113和左右对称的音叉杆114正、反面面外弯振激励陶瓷121采用相反的压电极化方向，单根杆反面的面外弯振激励陶瓷121的压电极化方向与正面对应的面外弯振激励陶瓷121的压电极化方向相反。所有的面外弯振激励陶瓷121的表面均通入同频余弦sinωt激励电压，面外弯振激励陶瓷121与四音叉式结构音叉结构板11的粘贴面均接地接入零激励电压。
如图11和图12，所述定子组件1的驱动足111沿xOz平面的椭圆运动，是在以时间相位差为90°的两相同频正弦sinωt电压，分别激发出定子的面内一阶纵振模态工作振动与面外模态工作振动后，通过两相振动耦合促成的。将定子的一个振动周期T分为以下四个阶段，则相应的椭圆轨迹由四部分组成：
如图11(Step 1)，在0～T/4振动时段内，定子面外弯振使上下对称的音叉杆113由直杆状成面外最大前弯状，使上下对称的音叉杆113上部的驱动足111与转动组件2保持接触,而此时左右对称的音叉杆114由直杆状成反向面外最大后弯状，并且与转子21不接触；定子面外弯振使上下对称的音叉杆113由初始位置B1面内弯曲至B2处。在该时段，定子组件1的上下对称的音叉杆113上部驱动足111同时与转动组件2接触，由于上下对称的音叉杆113上的驱动足111同时推动转子产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶，因此上下对称的音叉杆113上的驱动足111共同推动转子21形成x方向绕转轴旋转的第一个步距λ。
如图11(Step 2)，在T/4～T/2振动时段内，定子面外弯振驱使上下对称的音叉杆113由最大面外前弯状恢复成直杆状，使上下对称的音叉杆113上的驱动足111与转动组件2保持接触；而此时左右对称的音叉杆114由最大面外后弯曲状恢复成直杆状，且左右对称的音叉杆114上的驱动足111与转动组件21不接触；定子面内弯振使上下对称的音叉杆113由面内最大弯曲处B2恢复成直杆B3处，在该时段，定子左右对称的音叉杆113上的驱动足111同时与转动组件2接触，由于上下对称的音叉杆113上的驱动足111同时推动转子产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶，因此上下对称的音叉杆113上的驱动足111共同推动转子21形成x方向绕转轴旋转的第二个步距λ。
如图11(Step 3)，在T/2～3T/4振动时段内，定子面外弯振使上下对称的音叉杆113由直杆状弯成面外最大后弯状，同时上下对称的音叉杆113上的驱动足111与转动组件2保持脱离；而此时左右对称的音叉杆114由直杆状弯至最大面外前弯状，且左右对称的音叉杆114上的驱动足111与转动组件21接触；定子面内弯振使上下对称的音叉杆113由面内直杆处B3面内弯曲至最大弯曲处B4，在该时段，左右对称的音叉杆114上的驱动足111与转动组件21接触，由于左右对称的音叉杆114上的驱动足111同时推动转子产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶，因此左右对称的音叉杆114上的驱动足111共同推动转子21形成y方向绕转轴旋转的第三个步距λ。
如图11(Step 4)，在3T/4～T振动时段内，定子面外弯振驱使上下对称的音叉杆113上由最大后弯状恢复成直杆状，使上下对称的音叉杆113上驱动足111与转动组件2保持脱离；而此时左右对称的音叉杆114由最大前弯状恢复成直杆状，且左右对称的音叉杆114上的驱动足111与转动组件2接触；在该时段，定子面内弯振使上下对称的音叉杆113由面内最大弯曲处B4恢复至直杆处B1；在该时段，左右对称的音叉杆114上的驱动足111与转动组件21接触，由于左右对称的音叉杆114上的驱动足111同时推动转子产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶，因此左右对称的音叉杆114上的驱动足111共同推动转子21形成y方向绕转轴旋转的第四个步距λ。
如图11所示，定子组件1每完成上述一个振动周期T，上下对称的音叉杆113上部驱动足111将完成从最大面内前曲位置B1-最大面外前弯位置B2-最大面内后弯位置B3-最大面外后弯位置B4-最大面内前曲位置B1的一个椭圆运动轨迹；所以定子组件1每完成上述一个振动周期T，就将推动转动组件2的转子21沿x向旋转2步距。当定子组件1不断重复上述振动周期时，它将推动转动组件2的转子21不断沿x向旋转。如果逆转面内弯振与面外弯振之间超前滞后相位关系，则转动组件2的转子21将形成绕转轴的反方向转动。
如图11和图12，所述定子组件1的驱动足111沿yOz平面的椭圆运动轨迹，是在以时间相位差为90°的两相同频正弦sinωt电压，分别激发出定子面内弯曲模态工作振动与面外弯曲模态工作振动后，通过两相振动耦合促成的。若将定子的一个振动周期T分为四个阶段，则驱动足111在yOz面内的椭圆运动可看成由四部分组成：
如图11(Step 1)，在0～T/4振动时段内，定子面外弯振使左右对称的音叉杆114由直杆状弯成最大面外后弯状，使左右对称的音叉杆114上部的驱动足111与转动组件2保持脱离,而此时上下对称的音叉杆113由直杆状弯成反向最大面外前弯状，并且与转子21接触；定子面内弯振使左右对称的音叉杆114由初始位置A1面内弯曲至A2处。在该时段，定子组件1的上下对称的音叉杆113上部驱动足111同时与转动组件2接触，由于上下对称的音叉杆113上的驱动足111同时推动转子产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶，因此上下对称的音叉杆113上的驱动足111共同推动转子21形成x方向绕转轴旋转的第一个步距λ。
如图11(Step 2)，在T/4～T/2振动时段内，定子面外弯振驱使左右对称的音叉杆114由最大后弯状恢复成直杆状弯，使左右对称的音叉杆114上的驱动足111与转动组件2保持脱离；而此时上下对称的音叉杆113由最大前弯状恢复至直杆状，且上下对称的音叉杆113上的驱动足111与转动组件21接触；定子面内弯振使音叉杆114由面外最大弯曲处A2恢复成面内最大弯曲A3处，在该时段，在该时段，定子组件1的上下对称的音叉杆113上部驱动足111同时与转动组件2接触，由于上下对称的音叉杆113上的驱动足111同时推动转子产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶，因此上下对称的音叉杆113上的驱动足111共同推动转子21形成x方向绕转轴旋转的第二个步距λ。
如图11(Step 3)，在T/2～3T/4振动时段内，定子面外弯振使左右对称的音叉杆114由直杆状弯成最大前弯状，同时左右对称的音叉杆114上的驱动足111与转动组件2接触；而此时上下对称的音叉杆113由直杆状弯成最大后弯状，且上下对称的音叉杆113上的驱动足111与转动组件21脱离；定子面内弯振使左右对称的音叉杆114由面内最大弯曲处A3弯曲至面外最大前弯处A4。在该时段，定子组件1的左右对称的音叉杆114上部驱动足111同时与转动组件2接触，由于左右对称的音叉杆114上的驱动足111同时推动转子产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶，因此上下对称的音叉杆113上的驱动足111共同推动转子21形成y方向绕转轴旋转的第三个步距λ。
如图11(Step 4)，在3T/4～T振动时段内，定子面外弯振驱使左右对称的音叉杆114由最大前弯状恢复成直杆状弯，使左右对称的音叉杆114上驱动足111与转动组件2保持接触；此时上下对称的音叉杆113由最大后弯状恢复成直杆状，且上下对称的音叉杆113上的驱动足111与转动组件2脱离；在该时段，定子组件1的左右对称的音叉杆114上部驱动足111同时与转动组件2接触，由于左右对称的音叉杆114上的驱动足111同时推动转子产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶，因此上下对称的音叉杆113上的驱动足111共同推动转子21形成y方向绕转轴旋转的第四个步距λ。
如图11所示，定子组件1每完成上述一个振动周期T，左右对称的音叉杆114上部驱动足111将完成从最大面内前曲位置A1-最大面外后弯位置A2-最大面内后位置A3-最大面外前弯位置A4-最大面内前曲位置A1的一个椭圆运动轨迹；所以定子组件1每完成上述一个振动周期T，就将推动转动组件2的转子21沿y向转动2步距。当定子组件1不断重复上述振动周期时，它将推动转动组件2的转子21不断沿y向转动。如果逆转面内弯振与面外弯振之间超前滞后相位关系，则转动组件2的转子21将形成绕转轴的反方向转动。
如图11和图12，所述定子组件1的驱动足111分别完成沿yOz平面、xOz平面的椭圆运动轨迹，由于上下对称的音叉杆113上的驱动足111同时推动转子21产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶，左右对称的音叉杆114上的驱动足111同时推动转子21产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶，从而使得转子21形成沿定子1转轴线的旋转运动。
Claims (5)
1.基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机，包括定子组件、转动组件和支座组件，其特征在于，所述定子组件安装于所述转动组件与所述支座组件之间；
所述定子组件包括四组呈十字形连接的音叉结构板，音叉结构板由两根并列的音叉杆构成，且呈十字形连接的中心处设置有轴孔，音叉结构板的根部设置有定位孔；音叉杆呈矩形，其内部设置有改善定子模态的通孔，且音叉杆端部的正反面均设置有凸起的驱动足；音叉杆的四周表面均粘贴有压电陶瓷激励组件，压电陶瓷激励组件由面外弯振激励陶瓷和面内弯振激励陶瓷构成，音叉杆的正反平面均粘贴有面外弯振激励陶瓷，音叉杆的左右侧面粘贴有面内弯振激励陶瓷；驱动足顶面涂覆有聚偏氟乙烯基材料；
所述转动组件包括转子、压环和预紧压板，转子的一面设置有环槽，该环槽与压环相对应匹配，预紧压板与转子的环槽之间安装有压环；转子的中心设置有键槽，转轴的一端由端头向内依次装有第一轴承、调整垫片和第一端盖，第一端盖安装于预紧压板中心孔内，转轴的另一端与键槽连接；第一端盖与第一轴承之间设置有两片调整垫片；
所述支座组件包括第二端盖和底板，底板的中间有凸台，凸台的中间设置轴孔，轴孔内安装有第二轴承，凸台上设有螺纹孔，凸台上面装有垫片，底板的四角安装有支座固定螺钉，底板通过螺栓与第二端盖连接，第二端盖内的中心设置有轴承座，轴承座内装有轴承；
定子固定螺钉穿过定位孔与凸台上的螺纹孔固定连接，驱动足的顶面与转动组件的转子底面连接。
2.根据权利要求1所述的基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机，其特征在于，所述面外弯振激励陶瓷分别对称粘贴于音叉杆的正反平面。
3.根据权利要求1所述的基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机，其特征在于，所述面内弯振激励陶瓷分别对称粘贴于音叉杆的左右侧面。
4.根据权利要求1所述的基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机，其特征在于，所述调整垫片至少为两片。
5.一种如权利要求1所述的基于四音叉式压电振子驱动的旋转超声电机的工作方法，其特征在于，利用定子组件特定的两相工作模态振动，其中，面外反对称弯振模态用于实现转动组件与定子组件之间的接触与脱离，面内对称弯振模态则实现驱动转动组件的转子形成绕转轴的旋转运动；
所述面外反对称弯振模态是基于压电陶瓷的逆压电效应，通过对面外弯振激励陶瓷施加特定的激励电压，上下对称的音叉杆和左右对称的音叉杆基于四音叉式结构板平面的面外弯曲振动，驱使上下对称的音叉杆和左右对称的音叉杆末端分别沿垂直于四音叉式结构板平面的两反方向弯曲并高出四音叉式结构板的平面，上下对称的音叉杆和左右对称的音叉杆的面外弯曲振动振形相反，使得四音叉式结构板的上下对称的音叉杆和左右对称的音叉杆上的驱动足分为两组交替的保持和转动组件的转子接触与分离；
所述面内对称弯振模态是通过对面内弯振激励陶瓷施加特定的激励电压，激发音叉杆的音叉杆基于四音叉式结构板平面的面内弯曲振动，四音叉式结构板的上下对称音叉杆面内弯曲振动振形反对称，使得上下对称音叉杆上的驱动足同时推动转动组件的转子产生沿x的正反方向的切向力，形成x方向绕转轴的旋转力偶；四音叉式结构板的左右对称音叉杆面内的面内弯曲振动振形反对称，使得左右对称音叉杆上的驱动足同时的推动转动组件的转子产生沿y的正反方向的切向力，形成y方向绕转轴的旋转力偶，从而推动转子形成xOy平面内绕转轴的旋转运动。
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