CN109378992B - 一种超声电机性能可调的多重激励方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超声电机性能可调的多重激励方法，包括定子、转子，所述定子为中空、对称结构，由外壁被切割成八个面的金属基体管和两组粘贴在所述金属基体的外表面上的压电陶瓷片复合而成；所述压电陶瓷片表面镀有沿厚度方向均匀分布的电极；所述定子工作在共振状态，其工作模态为两个在空间上有一定夹角的二阶面内弯曲振动模态。该电机具有厚度薄、预压力机构简单、压电陶瓷易加工、成本低、可控性好、输出位移大、驱动电压低、易于实现整机微型化等特点，特别适合于薄型化和微型化的特殊使用场合，如：生物、医疗、微机械、自动控制、光学镜头、机器人和航空航天国防科技等领域。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机控制领域，具体涉及一种超声电机性能可调的多重激励方法。
背景技术
由于超声电机具有结构紧凑、易于加工、成本低、模态激励简单、易于微型化和能量密度大等特点，在精密驱动和半导体工业等领域均已得到了广泛应用。但超声电机通常只有一种激励方式，激励方式单一，因此，电机一旦加工完成之后，其输出性能固定，不易调节和改进，并且电机的工作模态在使用过程中固定、不可更改。为此，本发明提出一种超声电机性能可调的多重激励方法，使得每种激励方法下电机的输出性能不同，同时，在电机的使用过程中，还可以根据不同的性能需求选择合适的振动模态，使得电机的工作模态可选，从而使得电机的适用范围广泛，可根据实际的性能需求选择合适的激励方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于研制一种超声电机性能可调的多重激励方法，以满足不同的应用要求。
本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：
一种超声电机性能可调的多重激励方法，其特征在于：所述多重激励方法包括以下步骤：
步骤一：通过有限元软件ANSYS对初步确定的电机结构进行模态仿真，以优化电机的结构尺寸，并确定电机正常工作能选择的共振模态；
步骤二：通过有限元软件ANSYS，根据步骤一确定的电机尺寸进行谐响应仿真，得到电机所有可用的激励方法以及在各种激励方式下电机驱动点的输出位移；
步骤三：将电机中的各个激励元件中的每一个激励部件都分成多个分区，以进一步实现电机性能的可调，并得到每一个激励部件在不同分区施加激励电压时，电机驱动点的输出位移；
步骤四：根据步骤二和步骤三的结果，建立不同激励方式与电机驱动点的输出位移的关系；
步骤五：根据步骤一到步骤四的仿真结果，加工样机，并对样机进行实验，验证步骤四得到的不同激励方式与电机驱动点的输出位移的关系；
步骤六：在样机的驱动控制系统中储存步骤五得到的不同激励方式与电机驱动点的输出位移的关系，以根据实际的应用需求选择合适的激励方式。
进一步为：所述步骤二中的电机包括两组压电激励元件，所述激励方法包括单相激励方式和双相激励方式。
进一步为：所述单相激励方式包括在任意一组压电激励元件的第一陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在任意一组压电激励元件的第二陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在两组压电激励元件的第一陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在两组压电激励元件的第二陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在任意三片压电陶瓷片上同时施加单相激励电压。
进一步为：所述双相激励方式包括在任意一组压电陶瓷片上施加两相相位差为90度的正弦激励电压和在两组压电陶瓷片上同时施加两相相位差为90度的正弦激励电压。
进一步为：所述电机的定子包括外壁被切割成八个面的金属基体管和两组粘贴在所述金属基体的外表面上的压电陶瓷片复合而成，所述压电陶瓷片的极化方向被设置为沿着定子金属基体管的外法线方向；
所述压电陶瓷片表面镀有沿厚度方向均匀分布的电极，并且金属基体表面粘贴的压电陶瓷片均有多个分区，以进一步实现电机性能的可调。
进一步为：所述分区数为四。
进一步为：所述电机的定子工作在共振状态，并且其工作模态可选。
进一步为：所述工作模态为两个二阶面内弯曲振动模态或两个一阶面外弯曲振动模态。
本发明的有益效果：由于超声电机具有结构紧凑、易于加工、成本低、模态激励简单、易于微型化和能量密度大等特点，在精密驱动和半导体工业等领域均已得到了广泛应用。但超声电机通常只有一种激励方式，激励方式单一，因此，电机一旦加工完成之后，其输出性能固定，不易调节和改进，并且电机的工作模态在使用过程中固定、不可更改。为此，本发明提出一种超声电机性能可调的多重激励方法，使得每种激励方法下电机的输出性能不同，同时，在电机的使用过程中，还可以根据不同的性能需求选择合适的振动模态，使得电机的工作模态可选，从而使得电机的适用范围广泛，可根据实际的性能需求选择合适的激励方式。
附图说明
图1为超声电机的中空定子的结构示意图；
图2为超声电机的中空定子的结构示意图，11为PZT-A2，21为PZT-B2；12为PZT-A1，22为PZT-B1；
图3为定子两二阶面内弯曲振动模态图Ⅰ；
图4为定子两二阶面内弯曲振动模态图Ⅱ；
图5为定子两一阶面外弯曲振动模态图III；
图6为定子两二阶面内弯曲振动模态图VI；
图7为压电陶瓷片的分区结构示意图；
图8为本发明中超声电机的剖视结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。
一种超声电机性能可调的多重激励方法，所述多重激励方法包括以下步骤：
步骤一：通过有限元软件ANSYS对初步确定的电机结构进行模态仿真，以优化电机的结构尺寸，并确定电机正常工作能选择的共振模态；
步骤二：通过有限元软件ANSYS，根据步骤一确定的电机尺寸进行谐响应仿真，得到电机所有可用的激励方法以及在各种激励方式下电机驱动点的输出位移；
步骤三：将电机中的各个激励元件中的每一个激励部件都分成多个分区，以进一步实现电机性能的可调，并得到每一个激励部件在不同分区施加激励电压时，电机驱动点的输出位移；
步骤四：根据步骤二和步骤三的结果，建立不同激励方式与电机驱动点的输出位移的关系；
步骤五：根据步骤一到步骤四的仿真结果，加工样机，并对样机进行实验，验证步骤四得到的不同激励方式与电机驱动点的输出位移的关系；
步骤六：在样机的驱动控制系统中储存步骤五得到的不同激励方式与电机驱动点的输出位移的关系，以根据实际的应用需求选择合适的激励方式。
所述步骤二中的电机包括两组压电激励元件，所述激励方法包括单相激励方式和双相激励方式。
所述单相激励方式包括在任意一组压电激励元件的第一陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在任意一组压电激励元件的第二陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在两组压电激励元件的第一陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在两组压电激励元件的第二陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在任意三片压电陶瓷片上同时施加单相激励电压。
所述双相激励方式包括在任意一组压电陶瓷片上施加两相相位差为90度的正弦激励电压和在两组压电陶瓷片上同时施加两相相位差为90度的正弦激励电压。
所述电机的定子包括外壁被切割成八个面的金属基体管和两组粘贴在所述金属基体的外表面上的压电陶瓷片复合而成，所述压电陶瓷片的极化方向被设置为沿着定子金属基体管的外法线方向；
所述压电陶瓷片表面镀有沿厚度方向均匀分布的电极，并且金属基体表面粘贴的压电陶瓷片均有多个分区，所述分区数为四，以进一步实现电机性能的可调。
所述电机的定子工作在共振状态，并且其工作模态可选。所述工作模态为两个二阶面内弯曲振动模态或两个一阶面外弯曲振动模态。
其中，本发明方法应用的电机为，一种输出性能可调的超声电机，电机结构如图8所示，包含定子、转子5和预压力机构；所述定子为中空结构，由多边形金属基体3和至少两片压电陶瓷片复合而成；所述预压力机构由碟形弹簧4和卡箍2将所述转子5压紧在定子设置的多边形金属基体3的驱动表面上；所述转子5贯穿于中空定子及定子的匹配端6；定子驱动转子5旋转，电机的运动和力矩通过输出轴1输出，输出轴1贯穿整个定子多边形金属基体3；所述压电陶瓷片11和21粘贴在所述多边形金属基体3的外表面上形成复合定子。结合图1和图2所示，所述定子为中空结构，所述定子包括金属基体3和压电激励元件，所述金属基体3的横截面为八边形，所述压电激励元件包括两组压电陶瓷片PZT-A1和PZT-B2，并且每组压电陶瓷片包含两片，即PZT-A1包括PZT-A112和PZT-A211，PZT-B2包括PZT-B122 和PZT-B221。所述压电陶瓷片沿厚度方向的两面镀有均匀分布的电极，并沿厚度方向极化。所述定子工作在共振状态，其工作模态可以为两个在空间上有一定夹角的二阶面内弯曲振动模态，也可以为两个一阶面外弯曲模态，所述电机的工作模态可选，从而使得电机的输出性能可调。
此外，该电机的有多种激励方法，包括单相激励方式和双相激励方式。其中，
所述单相激励方式包括在任意一组压电激励元件的第一陶瓷片上(PZT-A1或PZT-B1) 施加正弦激励电压、在任意一组压电激励元件的第二陶瓷片上(PZT-A2或PZT-B2)施加正弦激励电压、在两组压电激励元件的第一陶瓷片上同时施加正弦激励电压(PZT-A1和PZT-B1)、在两组压电激励元件的第二陶瓷片上施加正弦激励电压(PZT-A2和PZT-B2)和在任意三片压电陶瓷片上同时施加单相激励电压等四类情况。
所述双相激励方式包括在任意一组压电陶瓷片上施加两相相位差为90度的正弦激励电压(PZT-A1和PZT-A2；PZT-B1和PZT-B2)和在两组压电陶瓷片上同时施加两相相位差为 90度的正弦激励电压(PZT-A1、PZT-A2、PZT-B1和PZT-B2)。
上述多种激励方式使得电机的输出性能可以在一定范围内调节。
同时，为进一步微调电机的输出性能，所述压电陶瓷片均设有多个分区，所述分区数可根据实际的应用需求选择。本实施例中，所述的分区数优选为四。
对于超声波电机定子而言，只有同时激励出定子的两工作模态，形成定子驱动面质点的椭圆运动轨迹，才能在定子内形成行波，从而使得所设计的超声波电机正常工作。
对于两二阶面内弯曲模态而言，当在PZT-A1上施加交变电压时，其产生的形变量为：
其中，S1是PZT-A1沿宽度方向的应变量，W为PZT-A1的宽度，ΔW为PZT-A1沿宽度方向的形变，E3为施加在PZT-A1厚度方向的电压。由于PZT-A1的应变量与两二阶面内弯曲模态下的变形量均有一定的夹角，因此，如图3所示，可以同时激励出两二阶面内弯曲模态，其它单相激励情况类似。同时，在单相激励下，定子驱动面质点在两个垂直方向的相位差主要由激励频率控制
其中，为其中一个二阶面内弯曲模态超前激励电压的相位，为另一个二阶面内弯曲模态滞后激励电压的相位，并且二者主要由激励电压的频率控制。
当采用两相电压时，定子驱动面质点在两个垂直方向的相位差则由两相激励电压的相位差控制，从而能形成定子驱动面质点的椭圆运动轨迹。
对于两一阶面外弯曲模态而言，则利用两弯曲方向上定子的相对应变量激励，其激励原理不同于二阶面内弯曲模态的激励。
本发明提出了一种超声电机性能可调的多重激励方法，并提出了通过改变定子的共振模态；改变电机的激励方法，具体包括单相激励方式和双相激励方式；设置激励部件压电陶瓷片的分区，通过选择在不同分区处施加激励电压等三类措施来调节电机的输出性能。
其中，前两种方式可以实现电机性能的大范围调节，第三种方式主要实现电机输出性能的微调，以适应于不同的应用需求。
首先，对电机中的压电陶瓷片不分区，并且在单相激励方式下的结果进行研究，所选的工作模态为两个二阶面内弯曲振动模态。
表1.单相激励方式下电机的输出位移及对应的共振频率
表1中，E1模式表明在PZT-A1上施加单相激励电压，同时，由于电机定子的对称性，当在压电陶瓷片PZT-A2或PZT-B1或PZT-B2上施加单相激励电压都会得到E1激励模式下的结果。
E2模式表明在PZT-A1和PZT-B1上施加单相激励电压，同时，由于电机定子的对称性，当在压电陶瓷片PZT-A2和PZT-B2上施加单相激励电压也会得到E2激励模式下的结果。
E3模式表明在PZT-A和PZT-B2上施加单相激励电压，同时，由于电机定子的对称性，当在压电陶瓷片PZT-B和PZT-A2上施加单相激励电压也会得到E3激励模式下的结果。
其次，对电机中的压电陶瓷片不分区，并且在双相激励方式下的结果进行研究，所选的工作模态为两个二阶面内弯曲振动模态。
表2.两相激励方式下电机的输出位移及对应的共振频率
上述三种两相激励方式分别表示在PZT-A上施加两相相位差为90度的正弦激励电压，在PZT-B上施加两相相位差为90度的正弦激励电压和在PZT-A及PZT-B上同时施加两相相位差为90度的正弦激励电压。
上述结果表明，以上的两相激励方式均能同时激励出两振动模态，并且每种激励方式下，电机的输出性能不同。
结合图3至图6所示，类似地，当以两个一阶面外弯曲模态为工作模态时，电机同样能正常工作。在同样的电机尺寸下，两模态的共振频率分别为54.78kHz和55.2kHz，能满足实际的应用需求。但是在表1和表2对应的激励方式下，由于两个一阶面外弯曲模态的共振频率比两个二阶面内弯曲振动模态高，因此，电机的输出位移有一定程度的减小，经仿真计算的得到其在每种激励方式下的输出位移是在表1和表2中对应激励方式下的三分之一。
同样地，当压电陶瓷片采用图7中的分区结构，并且在不同分区处施加激励电压时，同样可以调节电机的输出性能。
因此，本发明所提出的方法可以在不重新设计、加工超声电机的情况下，就能根据实际的应用需求调节电机的输出性能，使得电机的输出性能可控。因此，与以往的超声电机相比，本发明所提出的方法其技术进步是显而易见的，并且特别适合于微型化的特殊使用场合，如：生物、医疗、微机械、自动控制、光学镜头、机器人和航空航天国防科技等领域，尤其是体内医疗器械。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (8)
1.一种超声电机性能可调的多重激励方法，其特征在于：所述多重激励方法包括以下步骤：
步骤一：通过有限元软件ANSYS对初步确定的电机结构进行模态仿真，以优化电机的结构尺寸，并确定电机正常工作能选择的共振模态；
步骤二：通过有限元软件ANSYS，根据步骤一确定的电机尺寸进行谐响应仿真，得到电机所有可用的激励方法以及在各种激励方式下电机驱动点的输出位移；
步骤三：将电机中的各个激励元件中的每一个激励部件都分成多个分区，以进一步实现电机性能的可调，并得到每一个激励部件在不同分区施加激励电压时，电机驱动点的输出位移；
步骤四：根据步骤二和步骤三的结果，建立不同激励方式与电机驱动点的输出位移的关系；
步骤五：根据步骤一到步骤四的仿真结果，加工样机，并对样机进行实验，验证步骤四得到的不同激励方式与电机驱动点的输出位移的关系；
步骤六：在样机的驱动控制系统中储存步骤五得到的不同激励方式与电机驱动点的输出位移的关系，以根据实际的应用需求选择合适的激励方式。
2.根据权利要求1所述的一种超声电机性能可调的多重激励方法，其特征在于：所述步骤二中的电机包括两组压电激励元件，所述激励方法包括单相激励方式和双相激励方式。
3.根据权利要求2所述的一种超声电机性能可调的多重激励方法，其特征在于：所述单相激励方式包括在任意一组压电激励元件的第一陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在任意一组压电激励元件的第二陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在两组压电激励元件的第一陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在两组压电激励元件的第二陶瓷片上施加正弦激励电压；或者在任意三片压电陶瓷片上同时施加单相激励电压。
4.根据权利要求3所述的一种超声电机性能可调的多重激励方法，其特征在于：所述双相激励方式包括在任意一组压电陶瓷片上施加两相相位差为90度的正弦激励电压和在两组压电陶瓷片上同时施加两相相位差为90度的正弦激励电压。
5.根据权利要求3或4所述的一种超声电机性能可调的多重激励方法，其特征在于：所述电机的定子包括外壁被切割成八个面的金属基体管和两组粘贴在所述金属基体的外表面上的压电陶瓷片复合而成，所述压电陶瓷片的极化方向被设置为沿着定子金属基体管的外法线方向；所述压电陶瓷片表面镀有沿厚度方向均匀分布的电极，并且金属基体表面粘贴的压电陶瓷片均有多个分区，以进一步实现电机性能的可调。
6.如权利要求5所述的一种超声电机性能可调的多重激励方法，其特征在于：所述分区数为四。
7.如权利要求6所述的一种超声电机性能可调的多重激励方法，其特征在于：所述电机的定子工作在共振状态，并且其工作模态可选。
8.如权利要求7所述的一种超声电机性能可调的多重激励方法，其特征在于：所述工作模态为两个二阶面内弯曲振动模态或两个一阶面外弯曲振动模态。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20191101 Termination date: 20201023 |