专利名称：大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机及电激励方法
技术领域：
本发明属于超声电机技术领域，具体涉及一种大力矩双转子应力型纵扭复合超声
电机。
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。与电磁 电机相比，具有结构紧凑、低速大转矩、响应快(毫秒级)、断电自锁、位置和速度控制性好、 不受电磁干扰以及低噪声运行等优点。纵扭复合型超声电机是超声电机的一大分类，对它 的研究大致可追溯到20世纪80年代末，到目前为止，其结构种类已不下于几十种。纵扭复 合型超声电机通常含有两个振子—纵振子和扭转振子，纵、扭转振子分别激发出两个相互
垂直的振动，两种振动可单独调节，互不耦合。纵扭复合型超声电机具有输出力矩大、可控 性强、正反转特性一致、低速稳定性好、动态响应性能好等特点，现已倍受关注。但是，一般 的纵扭复合型超声电机均采用夹心式的结构来发挥纵振压电陶瓷的作用，这对纵振压电陶 瓷片的利用率较低。1998年，Ueha研制出一种双转子结构的纵扭复合型超声电机，该电机 能有效地利用纵振压电陶瓷片的振动，但缺点是首先，一部分纵振压电陶瓷片放在转子上 的结构使得这种电机必须添加电刷结构才能工作，电机的加工工艺复杂；其次，由于接触发 生在压电陶瓷片之间，摩擦副的制作变得复杂而困难。这些都限制了电机输出力矩的进一 步提升。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种纵振模态同时分布在定、转子 中的双转子应力型纵扭复合超声电机，这种电机在有效地利用纵振压电陶瓷片的振动的同 时不需要电刷结构，且能方便地进行摩擦副的配对，从而有效地提高电机的输出力矩。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案 本发明大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机，包括定子组件和转子组件，其特 征在于所述定子组件由摩擦片、第一组纵振压电陶瓷、第一配重块(、第一组扭振压电陶 瓷、法兰盘、第二组扭振压电陶瓷、第二配重块、第二组纵振压电陶瓷片、紧固螺栓以及两个 径向轴承组成；转子组件由转动轴、锁紧螺母、两个弹簧盖、弹簧、第一转子、键、摩擦材料、 第二转子组成；定子组件和转子组件共转动轴设置；其中，紧固螺栓由左向右依次穿过并 紧固第一配重块、第一组扭振压电陶瓷、法兰盘、第二组扭振压电陶瓷和第二配重块，第一 配重块的左端面粘贴第一组纵振压电陶瓷，第二配重块的右端面粘贴第二组纵振压电陶 瓷，摩擦片分别粘贴于第一、第二组纵振压电陶瓷的外端面，第一、第二配重块分别通过径 向轴承与转动轴连接；第一转子和第二转子套在转动轴上并分别通过键与转动轴周向固 定，第一转子和第二转子底部与摩擦片之间设置摩擦材料，转动轴的两端分别穿过由两个 弹簧盖加紧弹簧构成的两个预压力装置，预压力装置分别设置于第一转子和第二转子的顶 部并通过锁紧螺母紧固于转动轴上。
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大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机的激励方法，其特征在于当第一、第二组 纵振压电陶瓷极化布置方式相反时，用两个相位差为90°的正弦信号同时激励第一、第二 组扭振压电陶瓷和第一、第二组纵振压电陶瓷；当第一、第二组纵振压电陶瓷极化布置方式 相同时，利用三个正弦信号来激励，其中第一组纵振压电陶瓷和第二组纵振压电陶瓷组加 相位差为180°的正弦信号，相位分别记为(P和(P+180。，而施加在第一、第二组扭振压电陶
瓷上的则为相位相同的正弦信号，且相位为cp士90。 (0°《9<360°);激发同频相位差为90°
的定子组件上的1阶扭转振动和所述超声电机整体的2阶纵向振动，从而驱动转子转动。
本发明与背景技术相比具有更大堵转力矩，在同等直径尺寸(①20mm)下的超声 电机中，本发明提出的电机堵转力矩达到1. 28N *m，已达到或超过世界最高水平(0. 8N *m)。
图1是本发明提出的大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机的结构半剖图，图中 各标号名称分别为 11-摩擦片；12-径向轴承；13-第一配重块；14-第二配重块；15-法兰盘；16-安
装孔；17-紧固螺栓； 21-第一组纵振压电陶瓷；22-第二组纵振压电陶瓷；
31-第一组扭振压电陶瓷；32-第二组扭振压电陶瓷； 41-转动轴；42-锁紧螺母；43-弹簧盖；44-弹簧；45-第一转子；46-键；47-摩擦 材料；48-第二转子。 图2是本发明提出的大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机的工作模态。图中1 是分布在定子中的1阶扭振模态振型，2是分布在电机整体中的2阶纵振模态振型，其中，1 阶扭振模态节平面位于法兰盘上，2阶纵振模态节平面位于定、转子接触面上。
图3是本发明提出的大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机的第一种压电陶瓷 极化布置方式及电激励方式。图中第一组纵振压电陶瓷极化布置方式(2)和第二组纵振压 电陶瓷极化布置方式(3)相同，两组扭振压电陶瓷极化布置方式(4)相同，需要三个正弦信 号来激励，它们之间的相位差分别如(11)、 (12)和(13)所示。 图4是本发明提出的大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机的第二种压电陶瓷 极化布置方式及电激励方式。图中第一组纵振压电陶瓷极化布置方式(2)和第二组纵振压 电陶瓷极化布置方式(3)相反，两组扭振压电陶瓷极化布置方式(4)相同，只需要两个正弦 信号来激励，它们之间的相位差为90。，如(11)和(12)所示。 图5是本发明提出的大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机在一个激励周期内 的驱动过程。图中为清楚起见，没有画出转子上的摩擦材料，定子两端摩擦片上齿也未画 出。图中标号名称分别为l-定、转子处于轴向伸长状态；2-定、转子处于轴向收縮状态； 3-定子端面扭转振动方向；4-转子受力及转动方向。
具体实施例方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明 本发明大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机如图1所示，包括定子组件和转子 组件。定子组件由摩擦片11、第一组纵振压电陶瓷21、第一配重块13、第一组扭振压电陶瓷31、法兰盘15、第二组扭振压电陶瓷32、第二配重块14、第二组纵振压电陶瓷片22、紧固螺 栓17以及两个径向轴承12组成；转子组件由转动轴41、锁紧螺母42、弹簧盖43、弹簧44、 第一转子45、键46、摩擦材料47、第二转子48组成。首先，第一配重块13、第一组扭振压电 陶瓷31、法兰盘15、第二组扭振压电陶瓷32、第二配重块14依序排列成一杆状结构，并通过 紧固螺栓17压紧和固定，然后在第一配重块13和第二配重块14的两端放置两个径向轴承 12，接着将第一组纵振压电陶瓷21和第二组纵振压电陶瓷22利用环氧胶分别粘贴于第一 配重块13和第二配重块14的端面，最后将两片表面开齿的摩擦片11则分别粘贴于两组纵 振压电陶瓷的外端面，这样定子装配完毕。转动轴41穿过定子部分并通过两个径向轴承12 支承，第一转子45和第二转子48套在转动轴上并通过键46与转动轴41周向固定，两个转 子底部与定子接触的面上粘接有一定厚度的摩擦材料47，并利用弹簧44分别将它们压在 定子的两个端面上，最终实现整个电机，电机整体呈一杆状。法兰盘15边缘开有4个安装 小孔16，用于安装电机。 上述大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机定子表面粘贴有开齿摩擦片，摩擦片 直接粘贴于纵振压电陶瓷表面，开齿摩擦片的作用在于及时排除定、转子工作期间产生的 细小粉末，使电机能稳定工作。 上述大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机的工作模态，其特征在于1阶扭振 模态由扭振压电陶瓷片激发，且只分布于定子中，定子两个端面做相反方向的扭转振动；2 阶纵振模态由纵振压电陶瓷片激发，分布于电机整体中，纵振模态的节平面位于定转子接 触面附近。 上述大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机的压电陶瓷极化布置方式，其特征在 于两组扭振压电陶瓷为同相振动，而两组纵振压电陶瓷为反相振动，因此两组扭振压电陶 瓷极化布置方式一致，而两组纵振压电陶瓷片极化布置方式则既可以相同也可以相反。
上述大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机的激励方法，其特征在于当第一、第 二组纵振压电陶瓷21、22极化布置方式相反时，用两个相位差为90。的正弦信号同时激 励第一、第二组扭振压电陶瓷31、32和第一、第二组纵振压电陶瓷21、22 ;当第一、第二组 纵振压电陶瓷21、22极化布置方式相同时，利用三个正弦信号来激励，其中第一组纵振压 电陶瓷21和第二组纵振压电陶瓷22组加相位差为180°的正弦信号，相位分别记为(P和 9+180° (0。《cp〈60。)，而施加在第一、第二组扭振压电陶瓷31、32上的则为相位相同的正 弦信号，且相位为(P士90。;激发同频相位差为90°的定子组件上的1阶扭转振动和所述超声 电机整体的2阶纵向振动，从而驱动转子转动。图2所示为电机的工作模态，设计合理的电 机结构使得定子的1阶扭振模态频率和电机整体的2阶纵振模态频率一致，这样才会使定 子端面质点形成合适的椭圆运动并驱动转子转动。设计中要求2阶纵振模态振型的节平面 落在定、转子接触面附近，并将纵振压电陶瓷放置于定、转子接触面附近，这有两个目的一 是根据超声电机设计原则，纵振压电陶瓷放置于纵振节平面片才能充分地激励出电机的纵 振模态；二是在纵振模态的节平面处，电机轴向的应力最大，从而当定、转子接触时，所能提 供的轴向接触力最大，因此电机能获得最大的输出力矩。 电机中一共有4组压电陶瓷，对于大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机，可以 有两种压电陶瓷极化布置方式，分别如图3和图4所示。这两种压电陶瓷的极化布置方式 分别对对应着不同的电激励方式，当两组纵振压电陶瓷极化布置方式相同时，施加的电激励正弦信号相位分别如图3(11)、 (12)和(13)所示，当两组纵振压电陶瓷极化布置方式相 反时，施加的电激励正弦信号相位分别如图4(11)和(12)所示。这两种极化布置方式及电 激励方式最终目的一致，均是为了让两组纵振压电陶瓷的振动相反，即当其中一组作轴向 伸长振动时，另外一组作轴向收縮。而扭振陶瓷的振动相位则与两组纵振压电陶瓷均相差 90° 。 电机在一个激励周期内的驱动过程如图5所示。稳态时，电机定子在一个驱动周 期内对两端转子分别驱动一次。前半周期(0 T/2)内，左半部分定、转子同时伸长，开始接 触，同时定子左端面开始从速度为零、位移最大处向平衡位置振动，左边转子受到摩擦驱动 力矩的作用，开始转动，右半部分定、转子同时收縮，处于脱离状态，不受摩擦力矩的作用， 由左边转子带动转动；后半周期(T/2 T)内，左半部分定、转子同时收縮，处于脱离状态， 不受摩擦力矩的作用，而右半部分定、转子同时伸长，开始接触，同时定子右端面开始从速 度为零、位移最大处向平衡位置振动，右边转子受到摩擦驱动力矩的作用，开始转动，并带 动左边转子继续转动。
权利要求
一种大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机，包括定子组件和转子组件，其特征在于所述定子组件由摩擦片(11)、第一组纵振压电陶瓷(21)、第一配重块(13)、第一组扭振压电陶瓷(31)、法兰盘(15)、第二组扭振压电陶瓷(32)、第二配重块(14)、第二组纵振压电陶瓷片(22)、紧固螺栓(17)以及两个径向轴承(12)组成；转子组件由转动轴(41)、锁紧螺母(42)、两个弹簧盖(43)、弹簧(44)、第一转子(45)、键(46)、摩擦材料(47)、第二转子(48)组成；定子组件和转子组件共转动轴(41)设置；其中，紧固螺栓(17)由左向右依次穿过并紧固第一配重块(13)、第一组扭振压电陶瓷(31)、法兰盘(15)、第二组扭振压电陶瓷(32)和第二配重块(14)，第一配重块(13)的左端面粘贴第一组纵振压电陶瓷(21)，第二配重块(14)的右端面粘贴第二组纵振压电陶瓷(22)，摩擦片(11)分别粘贴于第一、第二组纵振压电陶瓷(21、22)的外端面，第一、第二配重块(13、14)分别通过径向轴承(12)与转动轴(41)连接；第一转子(45)和第二转子(48)套在转动轴(41)上并分别通过键(46)与转动轴(41)周向固定，第一转子(45)和第二转子(48)底部与摩擦片(11)之间设置摩擦材料(47)，转动轴(41)的两端分别穿过由两个弹簧盖(43)加紧弹簧(44)构成的两个预压力装置，预压力装置分别设置于第一转子(45)和第二转子(48)的顶部并通过锁紧螺母(42)紧固于转动轴(41)上。
2. 如权利要求1所述的大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机，其特征在于摩擦片 (11)表面均布齿形凸块，摩擦片(11)内外径尺寸与第一、第二纵振压电陶瓷(21、22)内外 径尺寸相同。
3. 如权利要求l所述的大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机，其特征在于第一、第 二组扭振压电陶瓷(31、32)极化布置方式一致。
4. 如权利要求1所述的大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机的电激励方法，其特征 在于当第一、第二组纵振压电陶瓷(21、22)极化布置方式相反时，用两个相位差为90。的 正弦信号同时激励第一、第二组扭振压电陶瓷(31、32)和第一、第二组纵振压电陶瓷(21、 22);当第一、第二组纵振压电陶瓷(21、22)极化布置方式相同时，利用三个正弦信号来激 励，其中第一组纵振压电陶瓷(21)和第二组纵振压电陶瓷(22)组加相位差为180°的正弦 信号，相位分别记为(p和cp+180。 (0°《9<360°)，而施加在第一、第二组扭振压电陶瓷(31、 32)上的则为相位相同的正弦信号，且相位为9±90°;激发同频相位差为90°的定子组件上 的1阶扭转振动和所述超声电机整体的2阶纵向振动，从而驱动转子转动。
全文摘要
本发明公布了一种大力矩双转子应力型纵扭复合超声电机及电激励方法，属超声电机技术领域，本发明电机包括定子组件和转子组件，所述定子组件由摩擦片、第一组纵振压电陶瓷、第一配重块、第一组扭振压电陶瓷、法兰盘、第二组扭振压电陶瓷、第二配重块、第二组纵振压电陶瓷、紧固螺栓以及两个径向轴承组成；转子组件由转动轴、锁紧螺母、弹簧盖、弹簧、第一转子、键、摩擦材料、第二转子组成。本发明方法利用定子中的1阶扭转振动和电机整体中的2阶纵向振动工作，纵振压电陶瓷放置在定、转子接触面附近，即纵向振动的节平面处，以充分激励和应用电机的纵向振动。本发明与背景技术相比具有更大堵转力矩。
文档编号H02N2/10GK101719735SQ201010017669
公开日2010年6月2日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者杨淋, 赵淳生 申请人:南京航空航天大学