本發(fā)明涉及一種對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機及其控制方法。

背景技術(shù)：

空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機是一種通過電壓調(diào)節(jié)實現(xiàn)空間相位控制的環(huán)形行波超聲波電機，空間相位這一新的控制量為環(huán)形行波電機的控制提供了更多的選擇。

目前傳統(tǒng)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機的壓電陶瓷采用細分陶瓷結(jié)構(gòu)，其每個陶瓷分區(qū)為傳統(tǒng)環(huán)形行波超聲波電機的一半，其分區(qū)數(shù)目則增加一倍，這會產(chǎn)生以下問題：1.各分區(qū)間絕緣的總面積增加，導(dǎo)致覆銀面積減小，電機功率下降；2.各相分區(qū)互相間隔，導(dǎo)致電機的接線復(fù)雜和困難；3.陶瓷分區(qū)面積減小，導(dǎo)致陶瓷加工的困難，且無助于陶瓷加工精度的提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機及其控制方法，具有全新的陶瓷分區(qū)結(jié)構(gòu)，簡化空間調(diào)相環(huán)形行波電機的制作，提高電機的加工精度，并配合相應(yīng)的電源方案，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

一種對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機，包括壓電陶瓷，壓電陶瓷包括A1區(qū)壓電陶瓷、A2區(qū)壓電陶瓷、B3區(qū)壓電陶瓷和B4區(qū)壓電陶瓷，各陶瓷分區(qū)在空間上沿圓周依次按A1區(qū)壓電陶瓷、A2區(qū)壓電陶瓷、B4區(qū)壓電陶瓷和B3區(qū)壓電陶瓷排列，且彼此間隔四分之一的波長，各區(qū)陶瓷在空間上各占據(jù)兩個波長。

進一步地，壓電陶瓷的每個極化分區(qū)的寬度為二分之一波長，按逆時針方向，所有區(qū)的壓電陶瓷極化分區(qū)極化方向均按“+－+－”依次排列，“+”表示正向極化，“－”表示反向極化，對極化的正方向可自由定義，僅要求其垂直于陶瓷平面即可。

一種上述對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機的控制方法，A1、A2區(qū)壓電陶瓷上施加相同時間相位，不同幅值的電源一、電源二；B3、B4區(qū)壓電陶瓷上施加相同時間相位，不同幅值的電源三、電源四；A1、A2區(qū)壓電陶瓷上施加的電源與B3、B4區(qū)壓電陶瓷上施加的電源在時間相位上相差π/2恒定；A1、B4區(qū)壓電陶瓷上施加的電源具有相同幅值絕對值；A2、B3區(qū)壓電陶瓷上施加的電源具有相同幅值絕對值；任意三個電源幅值為正，另一個電源的幅值為負。

進一步地，設(shè)定a為電源一和電源四的電壓幅值絕對值，b為電源二和電源三的電壓幅值絕對值，θ反應(yīng)兩個不同時間相位的駐波在空間“移動”的角度，與電源幅值絕對值a、b有關(guān)，滿足：

改變電源幅值絕對值a、b的大小關(guān)系，實現(xiàn)改變兩個不同時間相位的駐波在空間“移動”的角度θ，進而改變電機定子中行波分量和駐波分量的比值關(guān)系，實現(xiàn)空間調(diào)相控制。

本發(fā)明的有益效果是：該種對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機及其控制方法，具有如下優(yōu)點，

一、本發(fā)明中，A1區(qū)壓電陶瓷、A2區(qū)壓電陶瓷、B3區(qū)壓電陶瓷和B4區(qū)壓電陶瓷在機械空間上互相獨立，單個分區(qū)的所有陶瓷片保持空間上的連續(xù)，較之傳統(tǒng)的細分陶瓷結(jié)構(gòu)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機接線更為簡化；

二、壓電陶瓷的極化分區(qū)寬度為傳統(tǒng)細分陶瓷結(jié)構(gòu)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機壓電陶瓷極化寬度的兩倍，同傳統(tǒng)環(huán)形行波超聲波電機的寬度一致，較之傳統(tǒng)的細分陶瓷結(jié)構(gòu)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機，其不會有功率損失，陶瓷加工精度也能與傳統(tǒng)環(huán)形行波超聲波電機保持一致。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的壓電陶瓷極化分區(qū)方案和電源連接方案示意圖。

其中：1-端蓋，2-軸承一，3-軸承二，4-轉(zhuǎn)軸，5-轉(zhuǎn)子，6-定子，7-底座，8-A1區(qū)壓電陶瓷，9-A2區(qū)壓電陶瓷，10-B3區(qū)壓電陶瓷，11-B4區(qū)壓電陶瓷，12-電源一，13-電源二，14-電源三，15-電源四。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖詳細說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例。

實施例

如圖1所示，一種對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機包括端蓋1、軸承一2、軸承二3、轉(zhuǎn)軸4、轉(zhuǎn)子5、定子6、底座7和壓電陶瓷。除壓電陶瓷的分區(qū)和極化分區(qū)方式外，電機的其它結(jié)構(gòu)、材料以及裝配方案與傳統(tǒng)環(huán)形行波超聲波電機完全一致。實施例的對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機的壓電陶瓷分為A1區(qū)壓電陶瓷8、A2區(qū)壓電陶瓷9、B3區(qū)壓電陶瓷10和B4區(qū)壓電陶瓷11。如圖2所示，電機工作時，在定子圓周上分布有九個波長的空間行波，如每個行波波長計為空間相位2π，整個圓周可計為空間相位18π。按逆時針方向，定義A1區(qū)壓電陶瓷8的起始位置為起始位置，則4π處為A1區(qū)壓電陶瓷8的結(jié)束位置，4.5π處為A2區(qū)壓電陶瓷9的起始位置為起始位置，8.5π處為A2區(qū)壓電陶瓷9的結(jié)束位置，9π處為B4區(qū)壓電陶瓷11的起始位置為起始位置，13π處為B4區(qū)壓電陶瓷11的結(jié)束位置，13.5π處為B3區(qū)壓電陶瓷10的起始位置為起始位置，17.5π處為B3區(qū)壓電陶瓷10的結(jié)束位置。A1區(qū)壓電陶瓷8、A2區(qū)壓電陶瓷9、B3區(qū)壓電陶瓷10和B4區(qū)壓電陶瓷11中各含有四個壓電陶瓷極化分區(qū)，極化分區(qū)的寬度為空間相位長度π，也即二分之一基波波長，與傳統(tǒng)環(huán)形行波超聲波電機一樣，是傳統(tǒng)細分陶瓷結(jié)構(gòu)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機的兩倍。A1區(qū)壓電陶瓷8、A2區(qū)壓電陶瓷9、B3區(qū)壓電陶瓷10和B4區(qū)壓電陶瓷11中內(nèi)部的極化分區(qū)沿逆時針方向均是按“+－+－”方向進行極化的?！?”表示正向極化，“－”表示反向極化，對極化的正方向可自由定義，僅要求其垂直于陶瓷平面即可。

實施例的對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機具有傳統(tǒng)細分陶瓷結(jié)構(gòu)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機的全部功能和優(yōu)點，且壓電陶瓷的每個極化分區(qū)更寬，各區(qū)壓電陶瓷的所有極化分區(qū)在空間上保持連續(xù)，加工和制作更為方便和精確。

對稱陶瓷分區(qū)的空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機必須配合新的電源方案才能實現(xiàn)空間移相控制。新的電源方案采用了四個電源：電源一12，電源二13，電源三14，電源四15。電源一12與A1區(qū)壓電陶瓷8所有的極化分區(qū)連接，電源二13與A2區(qū)壓電陶瓷9所有的極化分區(qū)連接，電源三14與B3區(qū)壓電陶瓷10所有的極化分區(qū)連接，電源四15與B4區(qū)壓電陶瓷11所有的極化分區(qū)連接。電源一12與電源二13具有相同的時間相位。電源三14與電源四15具有相同的時間相位，且與電源一12和電源三14在時間相位相差π/2。電源一12與電源四15具有相同的電壓幅值絕對值，電源二13和電源三14具有相同的電壓幅值絕對值，任意三個電源的幅值為正，另一個電源的幅值為負，因此電源方案共四種：

第一種，電源方案一：電源表達式描述為電源一12為-acosωt、電源二13為bcosωt、電源三14為bsinωt、電源四15為asinωt；a為電源一12和電源四15的電壓幅值絕對值，b為電源二13和電源三14的電壓幅值絕對值，電壓幅值絕對值a和b為標(biāo)么值。

四個電源在定子上激發(fā)四個駐波，其表達式為：

時間相位相同的兩個駐波兩兩合成新的駐波，其表達式為：

上述兩個合成駐波最終定子上合成的復(fù)合波包含行波分量和駐波分量。其中θ反應(yīng)了兩個不同時間相位的駐波在空間移動的角度，與電源幅值絕對值a，b有關(guān)，滿足：

改變電源幅值絕對值a，b的大小關(guān)系，可以改變θ，進而改變電機定子中行波分量和駐波分量的比值關(guān)系，實現(xiàn)空間調(diào)相控制。

上述式中，ar，br為駐波橫向振動振幅，r是駐波幅值相對于電壓幅值的系數(shù)，x為空間位置角度，ω為振動角頻率，n＝l/λ是沿定子圓周的波數(shù)，l是定子周長，λ為彈性波長，t為時間。說明書中相同符號表示相同的含義。

第二種，電源方案二：電源表達式描述為電源一12為a cosωt、電源二13為-b cosωt、電源三14為b sinωt、電源四15為a sinωt；a為電源一12和電源四15的電壓幅值絕對值，b為電源二13和電源三14的電壓幅值絕對值，電壓幅值絕對值a和b為標(biāo)么值。

四個電源在定子上激發(fā)四個駐波，其表達式為：

時間相位相同的兩個駐波兩兩合成新的駐波，其表達式為：

上述兩個合成駐波最終定子上合成的復(fù)合波包含行波分量和駐波分量。改變電源幅值絕對值a，b的大小關(guān)系，可以改變θ，進而改變電機定子中行波分量和駐波分量的比值關(guān)系，實現(xiàn)空間調(diào)相控制。

第三種，電源方案三：電源表達式描述為電源一12為a cosωt、電源二13為b cosωt、電源三14為-b sinωt、電源四15為a sinωt；a為電源一12和電源四15的電壓幅值絕對值，b為電源二13和電源三14的電壓幅值絕對值，電壓幅值絕對值a和b為標(biāo)么值。

四個電源在定子上激發(fā)四個駐波，其表達式為：

時間相位相同的兩個駐波兩兩合成新的駐波，其表達式為：

上述兩個合成駐波最終定子上合成的復(fù)合波包含行波分量和駐波分量。改變電源幅值絕對值a，b的大小關(guān)系，可以改變θ，進而改變電機定子中行波分量和駐波分量的比值關(guān)系，實現(xiàn)空間調(diào)相控制。

第四種，電源方案四：電源表達式描述為電源一12為a cosωt、電源二13為b cosωt、電源三14為b sinωt、電源四15為-a sinωt；a為電源一12和電源四15的電壓幅值絕對值，b為電源二13和電源三14的電壓幅值絕對值，電壓幅值絕對值a和b為標(biāo)么值。電機定子中的駐波分量及復(fù)合波形表達式類似于電源方案1。

四個電源在定子上激發(fā)四個駐波，其表達式為：

時間相位相同的兩個駐波兩兩合成新的駐波，其表達式為：

上述兩個合成駐波最終定子上合成的復(fù)合波包含行波分量和駐波分量。改變電源幅值絕對值a，b的大小關(guān)系，可以改變θ，進而改變電機定子中行波分量和駐波分量的比值關(guān)系，實現(xiàn)空間調(diào)相控制。