专利名称：微小旋转型行波超声电机及其电激励方式的制作方法
技术领域：
本发明的微小旋转型行波超声电机属微电机领域中的超声电机。
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微电机。其中旋转型行 波超声电机属于行波型超声电机的一种。由于尺寸较小时超声电机比传统电机更具有独特 的优势，例如转矩/重量比更大(是传统电机的3 10倍)，可自锁，效率更高以及速度和位 置控制性好等，因此旋转型行波超声电机的微型化是发展的趋势，特别是在随着微操作系 统.管道微机器人技术.微光学系统等领域有着较大的应用前景。现有的旋转型行波电机 由于结构设计方案所限，体积较大且不易微型化，安装固定不方便，大大限制了这种电机的 应用范围。
发明内容
本发明的目的就在于研制一种结构紧凑，体积更微小，易于加工.装配和使用，效 率更高，应用范围更广的微小旋转型行波超声电机。一种微型旋转行波超声电机，其特征在于包括输出轴.由上而下依次装配于输 出轴上的转子.上轴承.预压力弹簧.下轴承.轴套和调节螺母；还包括位于上轴承一 端的套筒和位于下轴承一端的底座，上述套筒和底座固连在一起；上述套筒外侧安装有定 子，定子齿位于定子基体的上端面，压电陶瓷粘贴于定子基体的下端面，定子齿采用了沿径 向剖面为等腰梯形的六面体拓补形状；上述定子基体通过内圆柱套与套筒固定，内圆柱套 与定子基体以及套筒均为过盈配合；上述上轴承安放在套筒内，下轴承安放在底座内，预压 力弹簧安装在上轴承和下轴承之间，通过输出轴末端的轴套和调节螺母对下轴承定位；并 且转子的末端开设有螺纹，通过调节螺母可推动轴套来对下轴承进行沿轴向的上下定位， 可改变上轴承对下轴承之间的弹簧的压缩量，从而可调节定子齿和转子之间的预压力。上述微型旋转行波超声电机的电激励方式，其特征在于上述定子基体下表 面粘贴的压电陶瓷按两组极化，分成A组极化区和B组极化区，上述每组极化区又分 别包括一个正向极化区和一个负向极化区；在A组极化区和B组极化区之间留有 Λ/4空间和3Λ/4空间，其中ΛΜ空间为未极化区，3Λ/4空间的中间;i/4区域为极化区称 为孤极反馈区，剩余区域为未极化区；在A组极化区和B组极化区上施加相位差为90度的 正弦交流电压，激发出适合微小超声电机定子的3个波长的行波。本发明与现有技术相比，定子内径处为设计成一体的内圆柱套，不必专门开设固 定用的螺孔，同时底座与套筒设计为一体，通过与定子圆柱套的过盈配合来实现定子的内 径固定约束，这样的固定和夹持方法可为定子沿径向节约和留出空间，以保证工作时定子 能产生可观的振幅，并且整个结构更简单.紧凑.利于小型化(该方案可用于设计直径小于20mm，甚至IOmm以下的旋转型行波超声电机)。此外，加工和装配都易于实现较高的精度， 通过调节螺母可推动轴套来改变上轴承对下轴承之间的弹簧的压缩量，更为方便的调节预 压力，特别适合于不易反复拆卸和装配精密机械的驱动装置。
图1是微小旋转型行波超声电机的结构示意图； 图2是定子沿径向的剖面图3是定子振动时，与转子接触的齿表面质点的运动分量示意； 图4是定子上所粘贴陶瓷的极化方式；
图5是是电机定子有限元模型及工作模态示意图。其中图5 (a)的A相工作模态；图 5 (b)为B相工作模态；
图中的标号名称1.转子，2.定子齿，3.定子基体，4.压电陶瓷，5.内圆柱套，6.底座， 7.下轴承，8.轴套，9.调节螺母，10.输出轴，11.预压力弹簧，12.上轴承，13.套筒。
具体实施例方式本发明是基于利用压电陶瓷片的压电效应激出内径固支定子的弯曲振动模态而 研制成的新型微小旋转行波超声电机。图1是本发明的具体结构示意图，由图1可知，本超 声电机在定子在内径处设计了一体的内圆柱套5，底座6上也设计有一体的套筒13，通过内 圆柱套5和套筒12的过盈紧配合来实现定子内径的支撑和固定。这种夹持方法避免了在内 圈用螺钉固定的方式，为定子沿径向节约和留出空间，以保证工作时定子能产生可观的振 幅，同时减少了零件，结构也得到了简化，使得整个电机更易微型化。定子基体下粘贴有压 电陶瓷4，顶端为齿状结构，而且定子齿2采用了一种沿径向剖面为等腰梯形的双倒角拓补 形状(参见图2定子的沿径向剖面图)。这种设计思路的提出是基于如下原因对于本旋转 型行波超声电机而言，圆环形板状定子在振动时其齿顶端质点的运动轨迹是空间三维的。 如图3所示，柱坐标系的径向(r).周向(〃)和轴向OO分别轴上均有位移分量，即￥θ 和&。其中，定子齿表面质点的 和&运动分量是驱动转子旋转的必要条件之一，是有效 的运动分量；然而，沿径向的分量&会引起定.转子在接触界面上的径向滑移，导致系统能 量的耗散。特别是对于尺寸很小的微小旋转型行波超声电机，&所引起的能量损耗比例很 可观，将会大大降低输出效率，电机很容易发热。将定子齿设计为如图2中的沿径向剖面为 等腰梯形的双倒角拓补形状，可使定子结构刚度产生改变。此时，定子受到激励产生强迫振 动后，通过上述定子刚度的合理设计使得表面质点的位移响应也发生改变，即可使得Ur相 对^和&运动分量小得多，从而保证了微小电机的输出性能在可使用范围。此外，底座套 筒13内部沿轴向分别安装有上轴承12和下轴承7，预压力弹簧11在上.下轴承之间被压 紧，提供定.转子之间的预压力。转子1与输出轴10以过盈紧配合的方式固连在一起，由 上.下轴承定位。在输出轴10的末端开设有螺纹，通过旋转螺母9来推动轴套10和下轴 承7，可改变弹簧11的压缩量，从而方便调节微小尺寸的定子和转子之间的预压力。对于微小旋转型行波超声电机而言，定子弯曲模态频率很高。为便于配置较高效 率的驱动电源和激励方式，本发明中电机所选用的工作模态为定子的3波长弯曲模态。图4 为电机定子使用的压电陶瓷，可分为A. B两相二组大的分区(在空间相位上正交)，其中每相均为多分区形式。在A.B两相极化了的压电陶瓷间留有Λ/4和M/4的空间。在A.B两相 之间3Λ/4区域中的Λ/4孤极虽然极化，但不是用来激励定子的，其上不施加交变电压。当 其随定子振动时由于逆压电效应在孤极上会产生交变电压，通过该电压可判断超声电机的 工作状态，因此该电压可供驱动和控制电路用作反馈信号，通常称之为孤极反馈。
极化后的压电陶瓷片受电场作用会产生变形，极化方向与电场方向相同的分区产 生伸长变形，极化方向与电场方向相反的分区产生压缩变形。由于压电陶瓷与粘贴在定子 底面，因此，当对图4中压电陶瓷片的A组或B组施加交变电场时，就可使定子产生横向弯 曲振动。即，当对A组通以Usm (其中U为电压幅值，信号频率等于定子工作模态频率) 交变电压时，定子将被激发出弯曲共振，如附图5(a)的A相工作模态所示；当B组通以和A 相同频.同幅的cosffli交变电压时，定子产生另一弯曲共振，如附图5 (b)的B相工作模态 所示(与A相空间正交)。如果将这两相电压信号同时分别加到图4中的A组和B组，那么， 这两个相互正交的弯曲振动的合成，定子就呈现旋转弯曲模态，定子上端面形成行波，从而 使定子上端面上任一质点产生有效椭圆运动(由图3中的 和&组成)。正是这个椭圆运 动，加上定.转子间的预压力，使定.转子间产生摩擦力，推动转子沿定子端面行波方向相 反的方向转动。此时，附图4中电陶瓷片的孤极作为反馈相，它是利用压电陶瓷片的正压电 效应，产生交变电压，用以作为反馈电压对电机进行自动频率跟踪，从而保证电机的转速稳 定。
权利要求
一种微型旋转行波超声电机，其特征在于包括输出轴(10).由上而下依次装配于输出轴(10)上的转子(1).上轴承(12).预压力弹簧(11).下轴承(7).轴套(8)和调节螺母(9)； 还包括位于上轴承(12)一端的套筒(13)和位于下轴承(7)一端的底座(6)，上述套筒(13)和底座(6)固连在一起；上述套筒(13)外侧安装有定子，定子齿(2)位于定子基体(3)的上端面，压电陶瓷(4)粘贴于定子基体(3)的下端面，定子齿(2)采用了沿径向剖面为等腰梯形的六面体拓补形状；上述定子基体(3)通过内圆柱套(5)与套筒(13)固定，内圆柱套(5)与定子基体(3)以及套筒均为过盈配合；上述上轴承(12)安放在套筒(13)内，下轴承(6)安放在底座(6)内，预压力弹簧(11)安装在上轴承(12)和下轴承(7)之间，通过输出轴(10)末端的轴套(8)和调节螺母(9)对下轴承(7)定位；并且转子(1)的末端开设有螺纹，通过调节螺母可推动轴套(8)来对下轴承(7)进行沿轴向的上下定位，可改变上轴承(12)对下轴承(7)之间的弹簧的压缩量，从而可调节定子齿(2)和转子(1)之间的预压力。
2.根据权利要求1所述的微型旋转行波超声电机的电激励方式，其特征在于 上述定子基体(3)下表面粘贴的压电陶瓷(4)按两组极化，分成A组极化区和B组极化区，上述每组极化区又分别包括一个正向极化区和一个负向极化区；在A组极化区和B组极化区之间留有4空间和3；! /4空间，其中;1/ 4空间为未极化区， 3Λ/4空间的中间Λ/4区域为极化区称为孤极反馈区，剩余区域为未极化区；在A组极化区和B组极化区上施加相位差为90度的正弦交流电压，激发出适合微小超 声电机定子的3个波长的行波。
全文摘要
一种微小旋转型行波超声电机，属于微电机领域。其组成包括定子、转子、输出轴、底座(含套筒)；通过内圆柱套(5)和套筒(13)的过盈配合来固定定子；定子基体(3)下粘贴有压电陶瓷，齿(2)采用了径向剖面为等腰梯形的六面体拓补形状；转子(1)与输出轴(10)之间为过盈配合，由上轴承(12)和下轴承(7)定位；旋动螺母(9)可推动轴套(8)和下轴承(7)，改变弹簧(11)的压缩量，调节定、转子间的预压力。当压电陶瓷上施加特定交流电压时，齿(2)的上表面质点形成椭圆运动。由于定、转子之间存在预压力，产生的摩擦力将推动转子转动。该超声电机具有结构紧凑和简单、易微型化、成本低、方便调节预压力等优点。
文档编号H02N2/14GK101980438SQ20101051020
公开日2011年2月23日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者陈如娟, 陈超 申请人:南京航空航天大学;江苏春生超声电机有限公司