环形定子多自由度超声电机制造技术

本发明专利技术的环形定子多自由度超声电机，属超声电机领域。它由定子组件、球形转子及支架组件构成。定子组件由一对上、下定子环及分别粘贴在它们非相对面的一对单向轴向极化压电陶瓷环组成，压电陶瓷表面镀有沿周向均匀分区的扇形电极；球形转子夹持在两个定子环中间；通过支架上的压紧螺栓、弹性支板的作用提供定、转子间所需的预压力。驱动信号经不同扇形电极供给压电陶瓷环，使定子环产生行波以驱动球形转子实现绕定子环轴线双向转动；或产生不同位置的驻波以驱动球形转子实现绕过球形转子球心且与定子环的轴线相垂直的轴线双向转动。该超声电机可实现绕多个转动轴的双向转动、力矩大、工作可靠。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的环形定子多自由度超声电机，属超声电机领域。
技术介绍
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。目前，多自由度超声电机多采用管形定子和球形转子结构，以定子管的弯振和纵振相配合实现转子三个转动轴的旋转，其定、转子之间的预压力一直没有简单有效的方法施加，目前多靠转子球的自重实现，这使得其驱动力较小。此外，由于需利用定子管的纵向共振模态，使定子轴向尺寸难以控制，不利于小型化，应用范围受限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于研制一种结构简单、大扭矩、效率高、响应速度快、应用范围更广的多自由度超声电机。本专利技术的环形定子多自由度超声电机，由定子组件、转子及支架组件构成。定子组件是将一对轴向单向极化的上压电陶瓷环和下压电陶瓷环分别粘贴在一对相对放置的上定子环和下定子环的非相对面上，上压电陶瓷环和下压电陶瓷环的表面分别镀有均匀分区的扇形电极。转子是球形转子，被上定子环和下定子环夹持于中间。支架组件包括上安装座和下安装座，上安装座、下安装座分别通过弹性支板，与上定子环、下定子环固定在一起。压紧螺栓使弹性支板发生弹性变形，以提供电机工作时所需的预压力。上压电陶瓷环和下压电陶瓷环的电极分区数均为8n，其中n为自然数。理论上n可以从1取值到无穷。实际n取值1、2、3、4、5、6、7、8、9、10。另外，可实现的转动轴的数字与上压电陶瓷环和下压电陶瓷环的电极分区数8n相关。由上定子环和下定子环的驻波相配合可实现双向转动的过球形转子球心且与上定子环和下定子环的共同轴线相垂直的轴线的数字为4n，加上行波驱动下的绕上定子环和下定子环的共同轴线双向转动的1个转动轴，转动轴总数为4n+1，其中n与8n中的含义一致。上压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环产生周向行波；下压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环产生周向行波；两个定子环的行波波峰处经与球形转子接触点附近的摩擦力共同作用于球形转子，实现球形转子绕上定子环和下定子环的共同轴线双向转动。上压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环产生驻波；下压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环产生驻波；两个定子环的驻波波峰处经与球形转子接触点附近的摩擦力共同作用于球形转子，实现球形转子绕过球形转子球心且与上定子环和下定子环的共同轴线相垂直的轴线双向转动。环形定子多自由度超声电机除具有超声电机的一般特点外，采用环形定子驱动，可实现多个方向的正、反转运动，由两路正弦信号激励，驱动电路简单；采用环形定子的弯振模态作为其工作模态，使其结构紧凑、易于小型化；采用两个环形定子夹持球形转子结构，有效解决了预压力施加问题，提高力矩的潜力较大；环型定子的压电陶瓷环采用多个电极分区，使转子可绕多个轴转动，具有更广阔的应用空间。四附图说明图1是环形定子多自由度超声电机定、转子结构示意图。图2是环形定子多自由度超声电机定、转子及支架机构结构示意图。图3是上定子下表面、下定子上表面及球形转子示意图。图4是激励定子环产生周向行波驱动信号示意图。其中图(a)为上定子环电极分区；图(b)为下定子环电极分区。图5是行波驱动下转子绕定子环轴线顺时针转动时定、转子状态示意图。其中，图(I)、图(II)、图(III)、图(IV)为上定子环行波行进一周过程中定、转子的4个状态示意图。图6是激励定子产生驻波推动转子绕Y轴转动的驱动信号示意图。其中图(c)为上定子环电极分区；图(d)为下定子环电极分区。图7是驻波驱动下转子绕Y轴逆时针旋转时电机的状态示意图。图8是驻波驱动下转子绕Y轴顺时针旋转时电机的状态示意图。图9是实现球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成22.5度的轴线转动的电极驱动信号示意图。其中图(e)为上定子环电极分区；图(f)为下定子环电极分区。图10是球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成22.5度的轴线顺时针转动的电机状态示意图。图11是球形转子绕在X-Y平面内与Y轴成22.5度的轴线逆时针转动的电机状态示意图。注图中均以陶瓷环8n＝16均匀扇形电极分区为例说明。图1、图2、图3中标号及符号名称1球形转子，2扇形电极，3上压电陶瓷环，4上定子环，5下定子环，6下压电陶瓷环，7扇形电极，8弹性支板，9下安装座，10压紧螺栓，11上安装座，12弹性支板，13上定子环下表面，14下定子环上表面；X、Y、Z为直角坐标。图4中标号名称15、16、17、18上定子环行波驱动信号输入端，19、20、21、22下定子环行波驱动信号输入端。图5中标号及符号名称23定子环行波驱动下转子转动方向，24上定子环行波行进方向，25下定子环行波行进方向；P、Q上定子环与球形转子接触点，T下定子环与球形转子接触点。图6中标号名称26、27上定子环驻波驱动信号输入端，28、29下定子环驻波驱动信号输入端。图7、图8、图10、图11中标号及符号名称30定子环驻波驱动下转子转动方向，31上定子环变形方向，32下定子环变形方向；P、Q、R、S上定子环与球形转子接触点，T、U下定子环与球形转子接触点。图9中标号名称33、34上定子环驻波驱动信号输入端，35、36下定子环驻波驱动信号输入端。五具体实施例方式下面以n＝2即压电陶瓷环16个扇形电极分区为例说明环形定子多自由度超声电机工作原理及具体实施方式。如图1、图2所示，本专利技术的环形定子多自由度超声电机，主要由定子组件、转子及支架组件构成。定子组件是将一对轴向单向极化的上压电陶瓷环3和下压电陶瓷环6分别粘贴在一对相对放置的上定子环4和下定子环5的非相对面上。上压电陶瓷环3和下压电陶瓷环6的表面分别镀有16个均匀分区的扇形电极2和扇形电极7。球形转子1被上定子环4和下定子环5夹持于中间。上安装座11、弹性支板12、上定子环4固定在一起；下安装座9、弹性支板8、下定子环5固定在一起。压紧螺栓10使弹性支板8和弹性支板12发生弹性变形，以提供电机工作时所需的定、转子间的预压力。如图3所示，将球形转子1、上定子环下表面13、下定子环上表面14取出作为运动状态示意的要件，以便于观察。上压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环产生以B02模态形成沿其周向的行波(B表示弯曲振动；第一个下标表示弯曲振动的节园数；第二个下标表示弯曲振动的节径数。下同)；下压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环产生以B01模态形成沿其周向的行波；两个定子环的同向行波的波峰处经与球形转子接触点附近的摩擦力共同作用于球形转子，实现球形转子绕上定子环和下定子环的共同轴线双向转动。上压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发上定子环产生以B02模态形成的驻波；下压电陶瓷环经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发下定子环产生以B01模态形成的驻波；两个定子环的驻波波峰处经与球形转子接触点附近的摩擦力共同作用于球形转子，实现球形转子绕过球形转子球心且与上定子环和下定子环的共同轴线相垂直的多个轴线双向转动。结构设计原则1、由压电陶瓷环的逆压电效应激发出的上定子环的B02弯振模态频率与下定子环的B01弯振模态频率一致，以简化驱动电路；2、压电陶瓷电极分区应为8的倍数，以确保可以激发出上定子环的行波；3、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种环形定子多自由度超声电机，由定子组件、转子及支架组件构成，其特征在于：所述定子组件是将一对轴向单向极化的上压电陶瓷环（３）和下压电陶瓷环（６）分别粘贴在一对相对放置的上定子环（４）和下定子环（５）的非相对面上，上压电陶瓷环（３）和下压电陶瓷环（６）的表面分别镀有均匀分区的扇形电极（２）和扇形电极（７）；所述转子（１）是球形转子，被上定子环（４）和下定子环（５）夹持于中间；所述支架组件包括上安装座（１１）、下安装座（９），上安装座（１１）、下安装座（９）分别通过弹性支板（１２）、弹性支板（８）与上定子环（４）、下定子环（５）固定在一起，压紧螺栓（１０）使弹性支板（１２）和弹性支板（８）发生弹性变形，以提供电机工作时所需的预压力。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵淳生，金家楣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]