[发明专利]无齿行波旋转超声电机及工作模态和电激励方式

说明书

一、技术领域：

本发明的无齿行波旋转超声电机及工作模态和电激励方式，属超声电机领域。

二、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。其中，无齿行波旋转超声电机属于超声电机的一种。目前，旋转超声电机可分为驻波型和行波型：驻波型以单相电源激励和定、转子间歇接触为主要特征；行波型以2相电源激励和定、转子间不间断接触为主要特征。比较而言，行波型力矩潜力较大、性能相对较稳定。但是，现有行波型旋转电机多采用圆形板或环行板上2个正交的同频同形弯曲振动模态作为工作模态，其用于驱动转子的表面质点的周向位移来源于定子中性层的弯曲行波在偏离中性层的表面上的周向变形。这个变形随表面偏离中性层的距离的增大而增大，由于太厚的板会导致弯曲振动频率增高，振幅降低。通常情况下圆板或环行板上设置有均布的齿，以满足表面质点一定的周向位移的同时尽可能不减小弯振振幅，当然这就使得行波型超声电机的连续接触的优点遭到一定程度的破坏。同时，在圆形或环形板上设置齿也增加了机械加工的成本。

三、发明内容：

本发明的目的在于研制一种结构简单、大力矩、效率高、响应速度快、应用范围更广的旋转运动超声电机。

本发明的无齿行波旋转超声电机。包括定子、转子和压电陶瓷。其特点是：所述定子为环形夹心式结构：两片压电陶瓷被夹持在两个环行定子之间，电极片夹持在两片压电陶瓷之间；所述转子由环形转子I和环形转子II所组成，其中，转子I上的连接机构装入环形定子内腔中，其工作面压在定子的一个端面上，转子II通过螺纹与转子I的连接机构相连，其工作面压在定子的另一个端面上。通过螺纹的紧固使转子I和转子II上连接工作面的腹板产生弹性变形，提供定、转子间的预压力。无齿行波旋转超声电机的工作模态的特点：采用定子2个同频同形面内振动模态作为工作模态，在工作模态下由于泊松效应，定子产生轴向变形，为定子两个端面上的质点提供轴向位移。无齿行波旋转超声电机的电激励方式的特点：用相位差为π/2或—π/2的两个正弦信号经压电陶瓷同时激励定子在空间上相差π/2的同形面内振动模态，使定子端面上产生行波的同时，其与转子工作面相接触的表面质点产生椭圆运动，经摩擦推动转子转动。

本发明的无齿行波旋转超声电机表面质点的周向位移来源于其在周向的面内振动，不需要在端面上设置齿来放大周向振幅，2个同频同形面内振动模态作为工作模态，用2个在时间上具有π/2相位差的正弦信号激励，可产生2个端面上表面质点的椭圆运动，推动压在其上的转子沿周向转动。这样构成的旋转超声电机结构简单、性能稳定、力矩大、转速大、机械加工成本较低，具有更广阔的应用前景。

四、附图说明：

图1.无齿行波旋转超声电机结构示意图。

图中标号名称：1、转子I；2、环形定子I；3、压电陶瓷；4、环形定子II；5、转子II；6、电极片。

图2.定子面内振动模态。

图中标号名称：7、9、面内振动时定子端面无周向位移的直径；8、定子振动时定子端面质点周向位移方向。

图3.定子面内振动模态下定子轴向泊松效应。

图中标号名称：10、与图2所示的直径7相交的定子外圆柱面上的一条母线；11、与图2所示的直径9相交的定子外圆柱面上的一条母线。

图4.压电陶瓷电极分区示意图。

图中标号名称：12、13、用于激发定子面内振动模态I的驱动信号输入端；14、15、用于激发定子面内振动模态II的驱动信号输入端。

图5.模态I与模态II相差π/2时定子端面行波运动方向及端面质点运动轨迹。

图中标号名称：16、定子端面行波运动方向；17、定子端面质点运动轨迹。

图6.模态I与模态II相差—π/2时定子端面行波运动方向及端面质点运动轨迹。

图中标号名称：16、定子端面行波运动方向；17、定子端面质点运动轨迹。

五、具体实施方式：