专利名称：新型双齿面旋转超声电机定子及其激励方式的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种定子结构，尤其是一种旋转超声电机的定子结构及其激励方式。
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，依靠摩擦力驱动的新型作动器。旋转型超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有大转矩质量比、快速响应、精密定位和无电磁干扰等优点，在生物医疗、精密驱动、光学器件以及航空航天等领域具有广泛的应用前景。检索现有的旋转超声电机专利发现，申请号为200910185434公开的一种阶梯轴式旋转超声电机，其特点是两个转子采用阶梯轴并联放置于两个定子中间，采用双定子双 转子的结构，可有效提高输出功率。申请号为201110329573. 5公开的一种行波旋转超声电机采用两个定子共同驱动一个转子的结构，同样起到提高输出功率的效果。但上述发明均基于传统的旋转超声电机所采用的粘接压电陶瓷工艺，当用于极端高温环境时，由于胶层的非线性，将导致压电陶瓷易碎，电机失效等不利现象；另外，为了提高输出功率，前述两份对比文件均将原有的行波型超声电机的两个定子简单叠加而成的超声电机；简单的叠加原理需要优选两个定子工作特性非常接近，否则会互相干扰其工作方式，而由于加工的误差，需要在大量的定子中反复选择比对，增加整机的生产难度。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种旋转超声电机的定子结构，采用该定子结构的旋转超声电机能够实现正反向旋转运动并具有大功率输出特性。电机本体具有性能稳定，输出功率大，结构紧凑，对陶瓷片的要求较单一，加工和装配要求较低，适合于高温环境运行的特点。为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案
一种新型双齿面旋转超声电机定子，包括双齿面定子环以及弯振子；所述双齿面定子环包括相对设置的第一定子环、第二定子环，第一定子环、第二定子环的相邻环面通过四组驱动柱连接，且第一定子环、第二定子环的外侧环面开设用于驱动电机转子的齿形驱动面；每一根驱动柱均配置有一个弯振子，各弯振子相对于第一定子环、第二定子环的圆心连线均匀分布，且相邻两弯振子在长度方向上相垂直；所述弯振子为夹心式压电结构，包括紧固螺栓以及依次安装在紧固螺栓上的前端盖、第一夹持板、弯振压电陶瓷组件、第二夹持板以及尾部配重块；所述弯振子通过第一夹持板、第二夹持板与驱动柱固定；各弯振子分别与相应的激励电源连接，以分别在第一定子环、第二定子环的齿形驱动面产生面外行波运动。所述弯振子在长度方向上与驱动柱相垂直，且第一夹持板、第二夹持板对称地夹持在驱动柱的两端；第一定子环、第二定子环相对于弯振子对称设置。所述弯振压电陶瓷组件为两分区激励结构，包括弯振压电陶瓷片以及电极片；所述弯振压电陶瓷片以及电极片均为偶数片，且弯振压电陶瓷片与电极片相间设置，各弯振压电陶瓷片的极化边界同位设置，同时相邻的两弯振压电陶瓷片的正负极化区交替布置。本发明的另一个技术目的是提供一种上述新型双齿面旋转超声电机定子的激励方式，相对设置的一组弯振子分别在一路时间相差为90°的正弦信号激发下，在第一定子环、第二定子环的齿形驱动面均产生A型模态；另一组相对设置的弯振子分别在另一路时间相差为90°的正弦信号激发下，在第一定子环、第二定子环的齿形驱动面均产生B型模态；A型模态、B型模态均为弯曲振动模态，具有相同的振型和相等的模态频率，且A型模态、B型模态的空间相差为/2;两路时间相差为90°的正弦信号同时对四个弯振子进行激励时，A型模态、B型模态同时被激发，促使第一定子环、第二定子环的齿形驱动面产生面外行波运动。 根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果
1、采用弯振子激发双齿面定子环的面外弯曲振动，弯振子以驱动柱为对称面，垂直安放于驱动柱的中央，弯振子的数量为四个，绕金属圆环的中心轴呈90度均布，这种布局结构紧凑，激发的模态振型相同，并且有助于提高输出功率；采用弯振子的夹持板作为定子整体的夹持结构，夹持板结构设计成柔性，有利于避免对振动模态的影响和提高输出稳定性；另外，本发明采用单个定子双面齿输出动力的一体化结构，解决了现有技术中采用简单叠加的双定子结构加工精度难以控制的问题；
2、由弯振子激发的双齿面弯曲振动经有限元计算，其弯振模态易于激发定子金属圆环的面外弯曲振动，并且模态频率较低，谐波响应计算的振幅较高，有助于提高电机的输出转速和扭矩。
图I为弯振子的结构示意图其中，图1-1为立体视图，图1-2为分解视图。图2为新型双齿面旋转超声电机定子的结构示意图其中，图2-1为正视图，图2-2为立体图。图3为新型双齿面旋转超声电机工作原理示意图；其中图3 (a)为双齿面旋转超声电机定子的两齿形驱动面被激励作面外行波运动的示意图；图3 (b)为第三弯振子的一阶弯曲振动模态示意图；图3 (c)为第四弯振子的一阶弯曲振动模态示意图。图中标号名称1_1、第一弯振子；1_2、第二弯振子；2_1、第三弯振子；2_2、第四弯振子；3、第一驱动柱；4、第二驱动柱；5、第三驱动柱；6、第四驱动柱；7、上部定子环；8、下部定子环；9、紧固螺栓；10、前端盖；11、夹持板；12、尾部配重块；13、电极片；14、压电陶瓷；15、第三弯振子的一阶弯曲振动模态；16、第四弯振子的一阶弯曲振动模态；17、上部定子环的A型面外弯曲振动模态；18、下部定子环的A型面外弯曲振动模态。
具体实施例方式附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。如图2-1、2_2所示，本发明所述新型双齿面旋转超声电机定子，主要由双齿面定子环以及与之相连的四个弯振子1-1、1_2、2-1和2-2组成；双齿面定子环包括上部定子环7，驱动柱3、4、5、6，和下部定子环8。其中，上部定子环7和下部定子环8的驱动端面上具有齿形结构；弯振子对称安装在驱动柱两侧，长度方向上与驱动柱垂直；弯振子为夹心式压电组合结构，如图1-1、1-2所示，包括紧固螺栓9、前端盖10、夹持板11、压电陶瓷片14、尾部配重块12和电极片13，其中，四片压电陶瓷由螺栓施加预紧力，紧固于端部和尾部配重块之间。该双齿面定子具有四个均匀分布的弯振子，且相邻两振子呈90度垂直，故适合的工作模态为Btln (n取奇数，n=l, 3, 5***), B表不弯曲振动，第一下标为振动的节圆数，第二下标为振动的节径数。如图3所示，在弯振子2-1施加A+·相信号S1 = Fsm(im),弯振子2-2施加A-相信号馬=-Fsm_),可激发图3所示的局部弯曲振动
模态15和16，具有2个节点，带动连接柱运动，激发上部定子环7和下部定子环8的面外弯曲振动模态17和18，将其定义为A型模态；同理，分别在在弯振子1-1和1-2施加B+相信号馬=Jr sm(0K + r/ 2)和B-相信号馬=-Vsm(rni+JTf 2),可激发定子环的另一组面外弯曲
振动模态，将其定义为B型模态；由于结构上的对称性，理论上A型模态和B型模态为同型同频模态，但振型在周向上相差n/4弯曲波波长，即在空间相位上相差/2。当四个信号
馬、馬、马和馬同时施加时，两个工作模态的叠加可使齿形端面产生面外行波运动，经摩
擦作用推动转子转动。转子转动的正、反方向可由A、B两相正弦信号的相位差确定，S卩/2相位差使电机动子正向运动、一 ^ /2相位差使电机动子反向运动。夹持板设置为柔性构件，即夹持板对称地设置有两道圆弧槽。从而可以有效地减小夹持刚度，提高夹持板的弹性。
权利要求
1.一种新型双齿面旋转超声电机定子，其特征在于包括双齿面定子环以及弯振子；所述双齿面定子环包括相对设置的第一定子环、第二定子环，第一定子环、第二定子环的相邻环面通过四组驱动柱连接，且第一定子环、第二定子环的外侧环面开设用于驱动电机转子的齿形驱动面；每一根驱动柱均配置有一个弯振子，各弯振子相对于第一定子环、第二定子环的圆心连线均匀分布，且相邻两弯振子在长度方向上相垂直；所述弯振子为夹心式压电结构，包括紧固螺栓以及依次安装在紧固螺栓上的前端盖、第一夹持板、弯振压电陶瓷组件、第二夹持板以及尾部配重块；所述弯振子通过第一夹持板、第二夹持板与驱动柱固定；各弯振子分别与相应的激励电源连接，以分别在第一定子环、第二定子环的齿形驱动面产生面外行波运动。
2.根据权利要求I所述新型双齿面旋转超声电机定子，其特征在于所述弯振子在长度方向上与驱动柱相垂直，且第一夹持板、第二夹持板对称地夹持在驱动柱的两端；第一定子环、第二定子环相对于弯振子对称设置。
3.根据权利要求I所述新型双齿面旋转超声电机定子，其特征在于所述弯振压电陶瓷组件为两分区激励结构，包括弯振压电陶瓷片以及电极片；所述弯振压电陶瓷片以及电极片均为偶数片，且弯振压电陶瓷片与电极片相间设置，各弯振压电陶瓷片的极化边界同位设置，同时相邻的两弯振压电陶瓷片的正负极化区交替布置。
4.一种权利要求I所述新型双齿面旋转超声电机定子的激励方式，其特征在于相对设置的一组弯振子分别在一路时间相差为90°的正弦信号激发下，在第一定子环、第二定子环的齿形驱动面均产生A型模态；另一组相对设置的弯振子分别在另一路时间相差为90°的正弦信号激发下，在第一定子环、第二定子环的齿形驱动面均产生B型模态;A型模态、B型模态均为面外弯曲振动模态，具有相同的振型和相等的模态频率，且A型模态、B型模态的空间相差为n/2;两路时间相差为90°的正弦信号同时对四个弯振子进行激励时，A型模态、B型模态同时被激发，促使第一定子环、第二定子环的齿形驱动面产生面外行波运动。
全文摘要
本发明公开了一种新型双齿面旋转超声电机定子及其激励方式，包括双齿面定子环以及弯振子；所述双齿面定子环包括相对设置的第一定子环、第二定子环，第一定子环、第二定子环的相邻环面通过四组驱动柱连接，且第一定子环、第二定子环的外侧环面开设用于驱动电机转子的齿形驱动面；每一根驱动柱均配置有一个弯振子，各弯振子相对于第一定子环、第二定子环的圆心连线均匀分布，且相邻两弯振子在长度方向上相垂直。因此，采用该定子结构的旋转超声电机能够实现正反向旋转运动并具有大功率输出特性。电机本体具有性能稳定，输出功率大，结构紧凑，对陶瓷片的要求较单一，加工和装配要求较低，适合于高温环境运行的特点。
文档编号H02N2/14GK102751905SQ20121021064
公开日2012年10月24日 申请日期2012年6月25日 优先权日2012年6月25日
发明者胡俊辉, 芦小龙, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学