專利名稱：碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機屬微電機領域中的非接觸式超聲電機。
背景技術：
超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動的新型微電機。其中碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸超聲電機屬于行波型非接觸超聲電機的一種，采用定子和轉(zhuǎn)子不直接接觸驅(qū)動的方式來提高轉(zhuǎn)速和避免摩擦損耗，很容易實現(xiàn)電機的高轉(zhuǎn)速，在航空航天領域、非接觸式軸承傳動、非接觸物料傳輸?shù)戎芯哂袕V闊的應用前景。目前的非接觸式超聲電機多為圓盤或圓柱性轉(zhuǎn)子，不能實現(xiàn)球形軸承機構(gòu)的非接觸傳動。本發(fā)明提出一種球轉(zhuǎn)子非接觸超聲電機，采用定子的碗形振動端面激發(fā)的行波聲場來驅(qū)動半徑相同的球形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，不僅容易實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，而且該機理可用于高速度的球形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電機和非接觸式球形軸承的傳動。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于研制一種結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工、裝配和使用，可以非接觸方式驅(qū)動球轉(zhuǎn)子的碗式行波型超聲電機。為實現(xiàn)上述目的，本碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機由球形轉(zhuǎn)子、碗式定子、 環(huán)形壓電陶瓷、彈性墊和支撐裝置構(gòu)成。其中球形轉(zhuǎn)子位于碗式定子空腔內(nèi)；環(huán)形壓電陶瓷位于碗式定子的下端面；彈性墊的上斷面與碗式定子的下端面接觸；支撐裝置的上端面與彈性墊的下端面接觸。所述環(huán)形壓電陶瓷采用等分分區(qū)方式；所述碗式定子由彈性墊為定子提供自由支撐邊界條件；整個結(jié)構(gòu)由支撐裝置支撐固定。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，結(jié)構(gòu)更加緊湊，加工和裝配都易于實現(xiàn)較高的精度，同時更便于安裝和應用，特別適合于多自由度的高速度旋轉(zhuǎn)電機及非接觸式球形軸承的傳動領域。



圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明中球形壓電陶瓷的極化及配置方式圖； 圖3是本發(fā)明中碗式定子的有限元模型圖； 圖4是本發(fā)明中碗式定子A相模態(tài)視圖； 圖5是本發(fā)明中碗式定子B相模態(tài)視圖6是本發(fā)明中碗式定子振動誘發(fā)聲場作用來懸浮和驅(qū)動轉(zhuǎn)子的示意圖。其中球形轉(zhuǎn)子1、碗式定子2、環(huán)形壓電陶瓷3和彈性墊4和支撐裝置5。
具體實施例方式
以下將結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作原理進行詳細說明。一種碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機，其特征在于包括球形轉(zhuǎn)子1、碗式定 子2、環(huán)形壓電陶瓷3和彈性墊4和支撐裝置5，其中球形轉(zhuǎn)子2位于碗式定子2空腔內(nèi)；環(huán)形壓電陶瓷3位于碗式定子2的下端面；彈性墊4位于碗式定子2的下端面；支撐裝置5位于彈性墊4的底面。所述環(huán)形壓電陶瓷3采用等分分區(qū)方式；
其定子驅(qū)動端面為碗形空腔，用于驅(qū)動半徑相同的球形轉(zhuǎn)子； 所述碗式定子2由彈性墊4來為定子提供自由支撐邊界條件；整個結(jié)構(gòu)由支撐裝置5 支撐固定。如附圖1所示，本發(fā)明提供一種碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機，包括球形轉(zhuǎn)子、碗式定子、環(huán)形壓電陶瓷、彈性墊和支撐裝置，以下將分別介紹。本發(fā)明中的非接觸式超聲電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應激發(fā)碗式定子與球形
轉(zhuǎn)子相匹配的部位形成行波，進而誘發(fā)定、轉(zhuǎn)子之間的空氣介質(zhì)形成行波聲場，行波聲場
的聲輻射壓力將球轉(zhuǎn)子懸浮，產(chǎn)生的聲黏性力將推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。因此，定子與轉(zhuǎn)子基本驅(qū)動
原理可概括為固體-流體-固體方式，如附圖5所示。為在碗式定子中產(chǎn)生行波，在其底斷
粘貼壓電陶瓷，如圖1所示。圖2為電機定子使用的壓電陶瓷，可分為A、B兩相二組大的
分區(qū)(在空間相位上正交)，其中每相均為多分區(qū)形式。且分區(qū)的數(shù)目為波長數(shù)目的4倍，若
選定工作模態(tài)為4個波長，則將環(huán)形壓電陶瓷等分為16個分區(qū)，弧長及極化方向依次為
Λ/ + /I/ + Λ/ _ V _ Λ/ , Λ/ + Λ/ _ Λ/ _ Λ/ + Λ/ + Λ/ _ Λ/ _ ;l/ + A/ /4 +、/4 +、/4、/4、/4 +、/4 +、/4、/4、/4 +、/4 +、/4、/4、/ 4 +、/4
+J/4 _、％' _，其中奇數(shù)分區(qū)構(gòu)成A相極化區(qū)，偶數(shù)分區(qū)構(gòu)成B相極化區(qū)。極化后的壓電陶瓷片受電場作用會產(chǎn)生變形，極化方向與電場方向相同的分區(qū)產(chǎn)生伸長變形，極化方向與電場方向相反的分區(qū)產(chǎn)生壓縮變形。由于壓電陶瓷與粘貼在定子底面，因此，當對壓電陶瓷片施加兩相時間相位正交的交變電場時，就可使定子產(chǎn)生橫向彎曲振動。當A相通以smoi (其頻率等于定子工作模態(tài)頻率)交變電壓時，定子將被激發(fā)出彎曲共振，如附圖4 (a)的A相工作模態(tài)所示；當B相通以和A相同頻、同幅的《S·交變電壓時，定子產(chǎn)生另一彎曲共振，如附圖4 (b)的B相工作模態(tài)所示(與A相空間正交)。如果將這兩個電壓同時分別加到A相和B相，那么，這兩個相互正交的彎曲振動的合成，定子就呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)，定子上端面形成行波，依靠行波聲場聲輻射壓力將球轉(zhuǎn)子懸浮，產(chǎn)生的聲粘性力將推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，且沿行波的傳播方向高速旋轉(zhuǎn)。特別地，如若產(chǎn)生反向的行波，只需改變或互換輸入信號即可。 以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍， 凡是按照本發(fā)明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機，其特征在于包括球形轉(zhuǎn)子、碗式定子、 環(huán)形壓電陶瓷和彈性墊和支撐裝置，其中球形轉(zhuǎn)子位于碗式定子空腔內(nèi)；環(huán)形壓電陶瓷位于碗式定子的下端面；彈性墊位于碗式定子的下端面；支撐裝置位于彈性墊的底面。
2.如權利要求1所述的碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機，其特征在于其定子驅(qū)動端面為碗形空腔，用于驅(qū)動半徑相同的球形轉(zhuǎn)子。
3.如權利要求1所述的碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機，其特征在于所述環(huán)形壓電陶瓷采等分分區(qū)方式。
全文摘要
本發(fā)明公開一種碗式行波型球轉(zhuǎn)子非接觸式超聲電機，屬于微電機領域。其主要部件是球形轉(zhuǎn)子、碗式定子、環(huán)形壓電陶瓷和彈性墊和支撐裝置構(gòu)成。當對壓電陶瓷通入超聲頻域內(nèi)的特定交流電壓時，碗式定子與球形轉(zhuǎn)子相匹配的部位將形成行波,進而誘發(fā)定、轉(zhuǎn)子之間的行波聲場。依靠行波聲場聲輻射壓力將球轉(zhuǎn)子懸浮，產(chǎn)生的聲粘性力將推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。該超聲電機除具有非接觸式超聲電機的優(yōu)點外，還具有結(jié)構(gòu)簡單和緊湊、成本低、易于加工和裝配等優(yōu)點。
文檔編號H02N2/10GK102158125SQ20111009935
公開日2011年8月17日 申請日期2011年4月20日 優(yōu)先權日2011年4月20日
發(fā)明者李繁, 賈兵, 陳超 申請人:南京航空航天大學