本發(fā)明涉及超聲電機(jī)領(lǐng)域，具體是一種高速旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及其定子的電激勵(lì)方式。

背景技術(shù)：

超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)超聲振動(dòng)，依靠摩擦力驅(qū)動(dòng)的新型作動(dòng)器，旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)屬于超聲電機(jī)的一種。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有大轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比、快速響應(yīng)、精密定位和無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)療、精密驅(qū)動(dòng)、光學(xué)器件以及航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。檢索現(xiàn)有的超聲電機(jī)專(zhuān)利發(fā)現(xiàn)，在微小型飛行器上用小型高轉(zhuǎn)速超聲電機(jī)作為作動(dòng)器的非常少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供了一種高速旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)及其定子的電激勵(lì)方式，電機(jī)本體具有性能穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，對(duì)陶瓷片的要求較單一，加工精度要求高和裝配要求較低等特點(diǎn)，并且有助于提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明提供的高速旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)包括定子和轉(zhuǎn)子，其特征在于：所述的定子包括金屬圓盤(pán)以及穿過(guò)金屬圓盤(pán)中心的碳纖維管，金屬圓盤(pán)底部固定有四片壓電陶瓷，第一片壓電陶瓷和第三片壓電陶瓷正極化區(qū)朝上呈半圓式排列構(gòu)成A相，第二片壓電陶瓷和第四片壓電陶負(fù)極化區(qū)朝上呈半圓式排列構(gòu)成B相。A相和B相所連接的外部激勵(lì)信號(hào)為相位差為π/2的正弦信號(hào)；所述的轉(zhuǎn)子包括實(shí)心軸以及套在實(shí)心軸上的頂端的錐型臺(tái)面，實(shí)心軸穿過(guò)碳纖維管中央與碳纖維管兩端的斜面嚙合。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述的金屬圓盤(pán)外圓通過(guò)若干橫幅連接有金屬圓環(huán)，金屬圓環(huán)上開(kāi)有若干通孔。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述的碳纖維管兩端開(kāi)有倒角。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述的轉(zhuǎn)子頂部穿過(guò)碳纖維管的部分套有彈簧和卡環(huán)，通過(guò)彈簧和卡環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)子施加預(yù)壓力。

本發(fā)明還提供了一種高速旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的定子的電激勵(lì)方式，其特征在于包括以下步驟：處于對(duì)角位置的第一片壓電陶瓷正極化區(qū)朝上和第三片壓電陶瓷正極化區(qū)朝下呈兩個(gè)四分之一圓排列構(gòu)成A相，處于對(duì)角位置的第二片壓電陶瓷正極化區(qū)朝上和第四片壓電陶瓷正極化區(qū)朝下呈兩個(gè)四分之一圓排列構(gòu)成B相，分別對(duì)A相和B相通以π/2相位差的兩路同頻正弦信號(hào)，定子的兩個(gè)正交工作模態(tài)被同時(shí)激發(fā)出來(lái)，使金屬圓盤(pán)面產(chǎn)生行波運(yùn)動(dòng)，端面上的質(zhì)點(diǎn)具有橢圓型的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將振動(dòng)傳遞給碳纖維管，并推動(dòng)壓在碳纖維管上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的正、反方向由A、B兩相正弦信號(hào)的相位差確定，即π/2相位差使電機(jī)動(dòng)子正向運(yùn)動(dòng)、－π/2相位差使電機(jī)動(dòng)子反向運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明有益效果在于：

1. 結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，沒(méi)有電磁干擾；壓電陶瓷集中在軸心附近，在高速旋轉(zhuǎn)使用環(huán)境下，離心力較小，不易發(fā)生破壞。

2. 超聲電機(jī)應(yīng)用背景的創(chuàng)新：可以直接應(yīng)用在微型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。

3．工作模態(tài)的創(chuàng)新：由壓電陶瓷激發(fā)的金屬圓盤(pán)面面外彎曲振動(dòng)：經(jīng)有限元計(jì)算，其彎振模態(tài)易于激發(fā)定子金屬圓盤(pán)的面外彎曲振動(dòng)，諧波響應(yīng)計(jì)算的振幅較高，有助于提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，峰值可以達(dá)到5000rmin,穩(wěn)定轉(zhuǎn)速在3500rmin。

附圖說(shuō)明

圖1為定子的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為電子和轉(zhuǎn)子裝配示意圖；

圖3為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為定子金屬圓盤(pán)在x-z面做彎曲振動(dòng)原理示意圖；

圖5為定子A相振動(dòng)模態(tài)仿真示意圖；

圖6為定子B相振動(dòng)模態(tài)仿真示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，包括定子和轉(zhuǎn)子，所述的定子如圖1所示，包括金屬圓盤(pán)2以及穿過(guò)金屬圓盤(pán)2中心的碳纖維管1，金屬圓盤(pán)底部面固定有四片壓電陶瓷8，處于對(duì)角位置的第一片壓電陶瓷和第三片壓電陶瓷正極化區(qū)朝上呈半圓式排列構(gòu)成A相，處于對(duì)角位置的第二片壓電陶瓷和第四片壓電陶負(fù)極化區(qū)朝上呈半圓式排列構(gòu)成B相，A相和B相所連接的外部激勵(lì)信號(hào)為相位差為π/2的正弦信號(hào)；所述的轉(zhuǎn)子與定子裝配如圖2所示，轉(zhuǎn)子包括實(shí)心軸6以及套在實(shí)心軸6上的頂端的錐型臺(tái)面7，實(shí)心軸6穿過(guò)碳纖維管1中央與碳纖維管1兩端的斜面嚙合。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述的金屬圓盤(pán)2外圓通過(guò)若干橫幅5連接有金屬圓環(huán)4，金屬圓環(huán)4上開(kāi)有若干通孔3。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述的碳纖維管1兩端開(kāi)有倒角。

進(jìn)一步改進(jìn)，所述的轉(zhuǎn)子頂部穿過(guò)碳纖維管1的部分套有彈簧和卡環(huán)，通過(guò)彈簧和卡環(huán)對(duì)轉(zhuǎn)子施加預(yù)壓力。

本發(fā)明還提供了一種高速旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的定子的電激勵(lì)方式，其特征在于包括以下步驟：處于對(duì)角位置的第一片壓電陶瓷正極化區(qū)朝上和第三片壓電陶瓷正極化區(qū)朝下呈兩個(gè)四分之一圓排列構(gòu)成A相，處于對(duì)角位置的第二片壓電陶瓷正極化區(qū)朝上和第四片壓電陶瓷正極化區(qū)朝下呈兩個(gè)四分之一圓排列構(gòu)成B相，分別對(duì)A相和B相通以π/2相位差的兩路同頻正弦信號(hào)，定子的兩個(gè)正交工作模態(tài)被同時(shí)激發(fā)出來(lái)（定子金屬圓盤(pán)在x-z面做彎曲振動(dòng)原理如圖4所示），使金屬圓盤(pán)面產(chǎn)生行波運(yùn)動(dòng)，端面上的質(zhì)點(diǎn)具有橢圓型的運(yùn)動(dòng)軌跡，并將振動(dòng)傳遞給碳纖維管，并推動(dòng)壓在碳纖維管上的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

如圖5和圖6所示，以圖中所示金屬圓盤(pán)中心點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，當(dāng)金屬圓盤(pán)在x-z面內(nèi)做彎曲振動(dòng)時(shí)，此時(shí)金屬圓盤(pán)的面外彎曲振動(dòng)模型定義為A型模態(tài)；同理當(dāng)金屬圓盤(pán)在y-z面內(nèi)做彎曲振動(dòng)時(shí)，此時(shí)金屬圓盤(pán)的面外彎曲振動(dòng)模型定義為B型模態(tài)；A型模態(tài)和B型模態(tài)為同型正交的兩組面外彎曲振動(dòng)模態(tài)。

當(dāng)A相施加激勵(lì)信號(hào)和B相同時(shí)施加激勵(lì)信號(hào)時(shí)，會(huì)同時(shí)激勵(lì)出金屬圓盤(pán)x-z面和y-z面兩個(gè)正交的彎振模態(tài)，由于這兩個(gè)模態(tài)在空間相位上相差π/2，因此兩個(gè)彎振模態(tài)疊加后是金屬圓盤(pán)端面產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)模態(tài)傳遞至碳纖維管上的斜面也產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，經(jīng)摩擦作用推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的正、反方向由A、B兩相正弦信號(hào)的相位差確定，即π/2相位差使電機(jī)動(dòng)子正向運(yùn)動(dòng)、－π/2相位差使電機(jī)動(dòng)子反向運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明具體應(yīng)用途徑很多，以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。