CN114337367A - 一种小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法，包括以下步骤：(1)通过改变定子齿内缘的倾斜角度α以增大定子表面振幅；(2)通过均匀打磨定子齿表面改变定子齿高度以改变定子谐振频率。本发明在不改变定子整体体积的条件下，提高定子表面振幅；克服加工与装配的工艺误差，调节定子的谐振频率至一致，使多定子小型超声波电机可以使用单路驱动电路驱动。

Description

一种小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法

技术领域

本发明涉及超声波电机技术领域，具体的是一种小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法。

背景技术

超声波电机是一种基于压电效应与摩擦耦合的新型电机，具有结构紧凑、动作响应快、断电自锁、运行无噪声、电磁兼容性好等特点。随着机械系统的日益复杂化，单定子单自由度的电机将不再满足多自由度仪器的需求。若单定子电机需要旋转至多自由度，这往往会产生系统复杂、动态性能差、坐标控制困难等问题。多定子超声波电机可以实现多自由度方向运动，适用于多维驱动、控制场合以及多维空间场景。由于超声波电机的设计多样化、机械集成化、易于小型化的特点，小型化多定子超声波电机多应用于相机、机器人关节、阀门装置等场景。

由于特殊的工作原理与能量传递方式，超声电机定子的表面振幅对转子速度与电机输出力矩有着很大的影响。为了获得更好的驱动效果，如何在不改变定子整体体积的条件下增大定子表面振幅是值得商榷的问题。同时，由于加工与装配工艺存在不可避免的误差，定子的谐振频率不会完全相同，这也给驱动多定子超声波电机造成了一定的困难。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法，在不改变定子整体体积的条件下，提高定子表面振幅；克服加工与装配的工艺误差，调节定子的谐振频率至一致，使多定子小型超声波电机可以使用单路驱动电路驱动。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法，包括以下步骤：

(1)通过改变定子齿内缘的倾斜角度α以增大定子表面振幅；

(2)通过均匀打磨定子齿表面改变定子齿高度以改变定子谐振频率。

进一步地，方法适用于小型环形行波型定子，若定子直径大于30mm，应用该方法会大幅改变定子本身特性，容易对定子造成损害。

进一步地，定子采用内缘面与转子接触，增大定子与转子接触面积，避免点接触，保证定子表面振幅的有效传递，同时，也在一定程度上利用了定子表面的椭圆运动的径向位移分量，摩擦材料粘附于转子而不是定子上，使得转子为弹性。

进一步地，定子表面齿的内缘角度与定子表面振幅有关，改变内缘角度大小会对定子表面振幅产生影响，定子齿内缘倾斜角度控制在一定范围内，保证定子表面振幅最大。内缘倾斜角度设于25-45°区间内，保证电机整体体积不发生变化，且定、转子无障碍接触。

进一步地，定子谐振频率受尺高影响明显，定子尺高毫米级的改变可明显改变谐振频率，利用砂纸轻微、均匀打磨定子齿表面，定子齿表面减薄厚度为0.001-1mm，配合阻抗分析仪随时测量定子谐振频率，可获得频率一致的小型环形行波型定子,若多定子超声波电机所含定子特征频率一致，可采用同一驱动电路并联驱动定子。

本发明的有益效果：

本发明定子的倾斜面与转子接触，一可以最大程度传递定子表面振幅，提高电机效率；二可以在一定程度上利用定子表面椭圆运动的径向位移分量，提高电能转机械能的效率，获得更好的运行效果。为小型环形行波型定子提供提高性能的方法。在不改变定子整体大小的前提下，增大定子表面振幅，使电机输出更大力矩。在不改变定子整体体积的前提下，改变定子特征频率，修正由于加工、装配产生的误差。经过修正的定子，频率一致，应用于多定子小型环形行波型超声波电机可以使用同一驱动电源驱动，降低驱动电路成本。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明小型环形行波型超声波电机定子结构示意图；

图2是本发明小型环形行波型超声波电机定子齿截面示意图；

图3是本发明小型环形行波型超声波电机定子内缘角度与表面振幅关系图；

图4是本发明小型环形行波型超声波电机定子齿表面到金属体下表面的高度H与定子谐振频率关系图。

图中：

1-定子齿表面，2-定子内缘表面，3-定子弹性金属体，H-定子齿表面到金属体下表面的高度。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明为小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法，包括：

通过定子齿的内缘倾斜角的改变来增大定子表面振幅；

通过定子齿高度的轻微改变来改变定子谐振频率。

图1为本实施例中的小型环形行波型定子，其中定子直径为30mm，1为定子齿表面，2为定子内缘面，3为定子齿下面的弹性金属体。图2为定子齿的横截面示意图，α为定子齿的内缘角度。

本发明所针对的定子为小型环形行波型超声波电机定子，其直径应不大于30mm，避免该方法实施过程中对定子特性的大幅度改变。

本发明中所指小型定子，采用定子齿倾斜面而不是齿表面与转子接触，保证小型定子与转子的充分接触且存在一定裕度，其表面振动的充分传递，在一定程度上可以利用定子表面的椭圆运动的径向位移分量，同时可以减小电机整体的体积。定子与转子间用于延长电机寿命的摩擦材料粘附于转子上，转子变为弹性。在电机运行过程中，定子与转子可自适应调节接触。

本发明为增大小型行波型超声波电机定子的表面振幅，提高电机输出力矩，将定子内缘角度控制在一定角度范围内。具体实施例中，以图1所示定子为例，图3显示α在25°至35°区间内，定子振幅高，当α高于35°，振幅大小减小。通过此结果可以得出，该定子的内缘角度α取值应在25°至35°区间。同时，α取值应考虑定、转子接触情况。α低于25°或高于45°，容易造成定、转子过接触或接触不均匀的情况。

本发明尤其针对多定子小型环形行波型超声波电机。该类电机包含多个定子，若定子谐振频率不等，则需要多个驱动电路进行驱动，否则容易导致电机运行偏差、抖动等问题。

定子的特征频率受定子尺高影响明显。尺高毫米级的偏差使得特征频率有明显的变化。将定子表面在砂纸上轻微、均匀打磨，打磨两三圈后可利用阻抗分析仪测量定子特征频率，观察频率变化。具体实施例中，以图1所示定子为例，图3显示，随着H的减小，定子特征频率上升。

由于加工、装配的误差，定子尺高不同，定子的特征频率也响应的不同。轻微改变尺高，可使得应用于同一电机的定子获得相同大小及频率，使用同一驱动电路驱动，大大降低驱动难度与成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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。

Claims (5)

1.一种小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过改变定子齿内缘的倾斜角度α以增大定子表面振幅；

(2)通过均匀打磨定子齿表面改变定子齿高度以改变定子谐振频率。

2.根据权利要求1所述的小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法，其特征在于，所述定子为环状，定子直径小于30mm。

3.根据权利要求1所述的小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法，其特征在于，所述定子与转子接触面为倾斜面，所述转子表面粘附摩擦材料。

4.根据权利要求1所述的小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中定子齿内缘的倾斜角度满足25°≤α≤45°。

5.根据权利要求1所述的小型环形行波型超声波电机定子的性能优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中采用砂纸打磨定子齿表面进行减薄，所述定子齿表面减薄厚度为0.001-1mm。

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