[发明专利]新型双齿面旋转超声电机定子及其激励方式

说明书

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π/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。

附图说明

图1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。