一种基于非对称波的非接触超声马达制造技术

本发明专利技术涉及一种基于非对称波的非接触超声马达，属于一种超声马达。定子的两端固定连接前盖板和后盖板，转子轴与前盖板和后盖板转动连接，２～２０片转子叶片与转子轴固定连接，转子叶片与定子内壁保持非接触状态，转子轴线处于定子轴线上，压电陶瓷与定子外壁固定连接，在压电陶瓷和定子上分别引出连接电源的电极。优点是结构新颖，不对称的驻波具有连续的驱动作用，这样驻波马达的设计原理可以进一步简化，另一方面也可以简化电源的设计，使得驻波型马达采用单相电源成为可能，还可以减少材料的耗费，只采用一组压电陶瓷材料即可，马达的构造形式也可以多样化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于一种超声马达。
技术介绍
超声波马达是利用压电材料的逆压电效应来激励定子弹性体，从而产生超声频域 的机械振动，然后将弹性体的微观变形通过共振放大和摩擦耦合或媒质耦合，转换成转子 或滑块的宏观运动。它是一种涉及到材料学、压电学、超声学、摩擦学、振动力学等多学科领 域的典型的机电化一体的产品。超声波马达的基本构成主要有四部分，分别为高频激励电 源、定子、振幅放大机构和转子或滑块。高频激励电源大都为两相和两相以上，用以激励不 同组的压电陶瓷以合成定子表面具有一致旋转方向的椭圆运动，定子由极化过的压电体与 金属弹性体组成，振幅放大机构一般与金属弹性体做成一体，用以放大定子表面的振动幅 度。对于靠摩擦来驱动转子的超声波马达来说，在转子和定子的接触面上一般都粘贴有摩 擦材料，以减小滑动摩擦增加输出力矩，提高耐磨性。超声波马达的应用已经日渐广泛，其微型化、智能化、多样化的趋势也日渐明显， 但目前的超声波马达的驱动理论的研究仍然没有太大进展，其工作原理主要是基于定子表 面旋向一致的椭圆运动的生成，在超声波马达的构造上也大都采用具有较高几何对称性的 结构，如圆柱形、圆环形、圆盘形和圆筒形等。之所以采用较高对称性的结构是因为目前的 振动理论认为在压电振子上产生的机械振动波均为对称波，生成和利用的模态为对称模 态。这一认识导致了目前行波型马达均需采用对称结构，具有对称结构的驻波马达却又需 要采用振动的组合来进行驱动的现状。理论上来说，基于对称波的超声驱动理论限制了超 声波马达结构形状的多样化，局限了超声波马达设计者的思路。而实际的超声波马达有可 能会因为质量或刚度的分布不均而出现不对称的振动波，目前关于不对称波驱动作用的专 门研究国内外至今还尚无报道。对称波与对称的压电结构当设计超声波马达时，我们首先需要明确的是该马达要实现什么功能，然后根据 功能的实现选择超声波马达的工作原理和压电振子的结构。对于基于行波驱动的超声波马 达，一般需要采用对称性较高的结构来构造压电振子，如圆盘形、圆环形或圆筒形等。这是 因为采用圆形结构容易获得两个同频率的周向驻波。采用不同的压电陶瓷组可以激发不同 的周向驻波，如果压电陶瓷组之间间隔为四分之一波长、激励电压的相位差相差η 则会 同时激发出两个周向驻波并且这两个驻波沿着周向叠加会生成单方向传播的行波。从振动 的角度来讲，这两个驻波分别相应于同一特征频率的两个退化模态(degeneratemode)。这 两个退化模态具有相同的特征频率和振型，只是因为压电陶瓷的激励位置的不同而使其出 现的位置不同。可以知道，正是行波马达的驱动原理导致了我们目前的行波型马达采用了对称性 的结构，因为当我们采用对称性较低的结构时，我们很难同时激发出频率相同的驻波以叠 加生成行波。目前的行波型马达在设计时都认为在振动体上产生的机械振动波为对称波，即正弦波或余弦波。这一认为与采用对称性较高的压电结构相辅相成。一般来说在对称性 较高的压电结构上产生的振动波为正弦波或余弦波，而在对称性较低的结构上将只会获得 不对称的机械振动波。对于驻波型的超声波马达，一般不采用单个驻波进行驱动，之所以不采用单个驻 波进行驱动的原因是我们对振动波的认识还局限于对称波的范畴。我们知道，单一的对称 驻波由于波腹或节线两侧驱动能力相反宏观上对转子不构成连续的驱动。这一认识导致了 目前的驻波型超声波马达均采用了多个或多种驻波叠加来形成连续的驱动。这样驻波型超 声波马达既可以采用对称性较高的结构也可以采用对称性较低的结构。对于低对称性结构 下的单一不对称驻波是否具有驱动作用目前还没有研究。不对称波的分类我们所说的不对称波是指与正弦波或余弦波相区分的机械振动波。考虑到实际振 动的复杂性和周期性，我们以一个波长的机械振动波为研究对象，且这种机械振动波的波 形函数f(x)满足如下条件仅当f(x) =0时广(χ)=⑴。其波形特点是只在零线上出 现拐点。对于这类的不对称机械振动波，其不对称性可以从两方面来看一类是波幅的不 对称，见图1，另一类是波形不对称，见图2。实际的不对称振动波可能出现波幅不对称，也可能出现波形不对称，也有可能是 两者的混合。由于历史上认为在压电振动体上生成的机械振动波均为对称波，导致了行波型的 压电超声波马达需要采用较高对称性的结构，在马达的设计思路上受到了限制，结构的构 造方面和马达形状方面也局限于圆环型、圆筒形、圆盘形等。在驻波型马达的设计方面，也 必须采用多个驻波叠加才能生成振动体表面旋向一致的椭圆运动。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于非对称波的非接触超声马达，以解决基于对称波的超声驱动 理论限制超声波马达结构形状的多样化、且结构复杂的问题。本专利技术采取的技术方案是定 子的两端固定连接前盖板和后盖板，转子轴与前盖板和后盖板转动连接，2 20片转子叶 片与转子轴固定连接，转子叶片与定子内壁保持非接触状态，转子轴线处于定子轴线上，压 电陶瓷与定子外壁固定连接，在压电陶瓷和定子上分别引出连接电源的电极。本专利技术的调速既可以采用变频方式调速也可以采用变压方式调速，变频调速方式 相比于变压调速方式具有更高的调节精度，但可调频段狭窄，这与马达必须工作在谐振频 率点附近有关；变压调速方式具有宽广的调速范围，但调速精度较低。在一定频率下的变压 调速具有调速上限，调速上限依激励频率的不同而不同。不对称波超声非接触驱动机理目前研制的非接触超声波驱动器都是建立在行波理论基础上的，这类驱动器需将 振子弹性体激励出行波，因而它至少需要两路相位差为η/2的信号源，这使得驱动电路变 得复杂。本专利首次提出采用不对称振动驻波驱动的非接触超声驱动机理。对称驻波的声辐射压力如图3所示，由于驻波作用在χ轴方向上的辐 射压力是平衡的，其对于转子不具有驱动力。根据Yosiwoka和Kawasima提出的声辐射压力理论，驻波场中细小微粒受到F2的沿χ方向的辐射力可表达为F2s =-^R3kE2xAsin 2k[^-x\(1)其中R为声场中细小微粒的半径，k为波JL v4 J_数(k = 2Ji/X，λ为波长)，Ε&*声场的平均能量密度(尽A)W，P。为理想状态气体的密度，ω为超声振动圆频率，h为超声振动幅度)，A为一常数，其表达式如下 (1)式中Ρ和Ρ ‘分别为气体和微粒的密度；Y和Y ‘分别为气体和微粒的压 缩比。当A取正值时，声场中的微粒将移向驻波的节点处。由于图3中的驻波为一对称驻 波，其在χ方向的推动力相互抵消，在宏观上不能形成具有固定方向的驱动力。对称的驻波宏观上不具有驱动作用；而当一个驻波为不对称的形式，且沿某一方 向推动力不能相互抵消时，这个驻波将在宏观上表现为具有固定驱动方向的驻波，这种类 型的驻波可以用来为超声波马达提供驱动力。驻波的不对称形式可以划分为两种类型，一类为波幅不对称，另一类为波形不对 称。对于波幅不对称形式的振动波，由于声辐射压力在X轴上的投影仍然是平衡的，其不具 有连续的驱动能力，见图4。而对于波形为不对称形式的振动驻波，由于X轴上的声辐射压 力不能相互抵消，将在χ轴的方向上形成单方向的驱动力，见图5。驱动力的大小和方向直接和波形不对称系数有关。由(1)式可以看出，处于超声 场中的微粒受到的力F OC h2f (X本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于非对称波的非接触超声马达，其特征在于：定子的两端固定连接前盖板和后盖板，转子轴与前盖板和后盖板转动连接，２～２０片转子叶片与转子轴固定连接，转子叶片与定子内壁保持非接触状态，转子轴线处于定子轴线上，压电陶瓷与定子外壁固定连接，在压电陶瓷和定子上分别引出连接电源的电极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：鄂世举，朱喜林，韦强，曹建波，高春甫，贺新升，王冬云，
申请(专利权)人：浙江师范大学，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]