一种基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机

摘要

本发明提供了一种基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机及其电激励方法，电机定子主体由金属圆盘和实心轴组成。包括金属圆盘、实心轴和压电陶瓷。四片陶瓷片用于激发定子下端面的两个空间相差π/2的面外弯曲工作模态；用两路时间相位差为π/2的正弦信号同时激励这两个正交工作模态，使定子实心轴的驱动锥面上产生椭圆运动，经摩擦作用推动转子运动。该超声电机具有结构简单、转速高、不需要轴承和质量轻等特点。

权利要求

1.一种基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机，包括定子和转子（7），其特征在于：

所述的定子包括金属圆盘（3）以及穿过金属圆盘（3）中心的实心轴，所述的金属圆盘（3）底部紧固有四片压电陶瓷（6），其中处于对角的第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，处于对角的第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上呈半圆式排列构成B相，A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号；所述的实心轴上端开有锥面，圆盘型转子（7）与定子上实心轴上的锥面啮合，转子固定在锥面上，通过弹簧（2）和卡环（1）对其施加预压力，所述的定子下方设置有底座（5），金属圆盘（3）外圆通过若干横幅（9）连接有金属圆环（4），金属圆环（4上开有若干通孔（8），通孔通过螺钉与底座（5）固定。

2.根据权利要求1所述的基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机，其特征在于：所述的金属圆盘（3）上有四条成九十度的深槽（10）。

3.一种基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机的电激励方法，其特征在于：第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上瓷呈半圆式排列构成B相，向A相和B相分别通以π/2相位差的两路同频正弦信号，定子的两个正交工作模态将会被同时激发出来，使金属圆盘面产生行波运动，端面上的质点具有椭圆型的运动轨迹，并将振动传递给实心轴上的圆锥面，并推动压在锥面上的转子转动。

4.根据权利要求3所述的基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机的电激励方法，其特征在于：所述转子转动的正、反方向由A、B两相正弦信号的相位差确定，即π/2相位差使电机动子正向运动、－π/2相位差使电机动子反向运动。

说明书

一种基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机

技术领域

[0001] 本发明涉及领域，具体是一种基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机及其电激励方法。

背景技术

[0002] 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。检索现有的超声电机专利发现，在微小型飞行器上用小型高转速超声电机作为作动器的非常少。

发明内容

[0003] 本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机及其电激励方法本发明提供的基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机包括定子和转子，所述的定子包括金属圆盘以及穿过金属圆盘中心的实心轴，所述的金属圆盘底部紧固有四片压电陶瓷，其中处于对角的第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，处于对角的第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上呈半圆式排列构成B相，A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号；所述的实心轴上端开有锥面，圆盘型转子与定子上实心轴上的锥面啮合，转子固定在锥面上，通过弹簧和卡环对其施加预压力。所述的定子下方设置有底座，金属圆盘外圆通过若干横幅连接有金属圆环，金属圆环上开有若干通孔，通孔通过螺钉与底座固定；
进一步改进，所述的金属圆盘上有四条成九十度的深槽。

[0004] 本发明还提供了一种基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机的电激励方法，处于对角的第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，处于对角的第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上瓷呈半圆式排列构成B相，A型和B型模态具有接近的共振频率，振型相同，但空间上相位差π/2，向A相和B相分别通以π/2相位差的两路同频正弦信号，定子的两个正交工作模态将会被同时激发出来，使金属圆盘面产生行波运动，端面上的质点具有椭圆型的运动轨迹，并将振动传递给实心轴上的圆锥面，并推动压在锥面上的转子转动。

[0005] 进一步改进，所述转子转动的正、反方向由A、B两相正弦信号的相位差确定，即π/2相位差使电机动子正向运动、－π/2相位差使电机动子反向运动。

[0006] 本发明有益效果在于：1. 结构的创新：结构简单，运行可靠，没有电磁干扰；压电陶瓷集中在轴心附近，在高速旋转使用环境下，离心力较小，不易发生破坏。

[0007] 2. 超声电机应用背景的创新：可以直接驱动或者应用在微型无人机上面。

[0008] 3．工作模态的创新：由压电陶瓷激发的金属圆盘面面外弯曲振动：经有限元计算，其弯振模态易于激发定子金属圆盘的面外弯曲振动，谐波响应计算的振幅较高，有助于提高电机的输出转速，峰值可以达到7000rmin,稳定转速在5000rmin。

附图说明

[0009] 图1为定子的结构示意图；图2为定子与压电陶瓷装配示意图；
图3高速旋转小型超声电机；
图4为定子金属圆盘在X-Z面外做弯曲振动原理示意图；
图5为定子A相振动模态仿真示意图；
图6为定子B相振动模态仿真示意图。

具体实施方式

[0010] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0011] 本发明提供的基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机如图3所示，包括定子和转子7，所述的定子如图1和图2所示，包括金属圆盘3以及穿过金属圆盘3中心的实心轴，所述的金属圆盘3底部紧固有四片压电陶瓷6，其中处于对角的第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，处于对角的第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上呈半圆式排列构成B相，A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号；所述的实心轴上端开有锥面，圆盘型转子7与定子上实心轴上的锥面啮合，转子固定在锥面上，通过弹簧2和卡环1对其施加预压力。所述的定子下方设置有底座5，金属圆盘3外圆通过若干横幅连接有金属圆环4，金属圆环4上开有若干通孔，通孔通过螺钉与底座5固定；进一步改进，所述的金属圆盘3上有四条成九十度的深槽10。

[0012] 本发明还提供了一种基于面外弯曲振动模态高速旋转超声电机的电激励方法，处于对角的第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，处于对角的第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上瓷呈半圆式排列构成B相，A型和B型模态具有接近的共振频率，振型相同，但空间上相位差π/2，向A相和B相分别通以π/2相位差的两路同频正弦信号，定子的两个正交工作模态将会被同时激发出来，使金属圆盘面产生行波运动，端面上的质点具有椭圆型的运动轨迹，并将振动传递给实心轴上的圆锥面，并推动压在锥面上的转子转动。

[0013] 如图4 所示，该超声电机中，A相和B相施加激励信号，激发金属圆盘的面外弯曲振动模态。如图5和图6所示，以图中所示金属圆盘中心点为原点建立坐标系，当金属圆盘在x-z面内做弯曲振动时，此时金属圆盘的面外弯曲振动模型定义为A型模态；同理当金属圆盘在y-z面内做弯曲振动时，此时金属圆盘的面外弯曲振动模型定义为B型模态；A型模态和B型模态为同型正交的两组面外弯曲振动模态。

[0014] 当A相施加激励信号和B相同时施加激励信号时，会同时激励出金属圆盘x-z面和y-z面两个正交的弯振模态，由于这两个模态在空间相位上相差π/2，因此两个弯振模态叠加后是金属圆盘端面产生椭圆运动，振动模态传递至实心轴上的锥面也产生椭圆运动，经摩擦作用推动转子转动。

[0015] 所述转子转动的正、反方向由A、B两相正弦信号的相位差确定，即π/2相位差使电机动子正向运动、－π/2相位差使电机动子反向运动。

[0016] 本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。