一种高速旋转超声电机及其定子的电激励方式制造技术

本发明专利技术提供了一种高速旋转超声电机及其定子的电激励方式，该电机定子主体由金属圆盘和碳纤维管组成，包括金属圆盘、碳纤维管和压电陶瓷。四片陶瓷片用于激发定子下端面的两个空间相差π/2的面外弯曲工作模态；用两路时间相位差为π/2的正弦信号同时激励这两个正交工作模态，使碳纤维管两端内斜面上产生椭圆运动，经摩擦作用推动转子运动。该超声电机具有结构简单、转速高、不需要轴承和质量轻等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及超声电机领域，具体是一种高速旋转超声电机及其定子的电激励方式。
技术介绍
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，依靠摩擦力驱动的新型作动器，旋转型超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有大转矩质量比、快速响应、精密定位和无电磁干扰等优点，在生物医疗、精密驱动、光学器件以及航空航天等领域具有广泛的应用前景。检索现有的超声电机专利发现，在微小型飞行器上用小型高转速超声电机作为作动器的非常少。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有技术的问题，提供了一种高速旋转超声电机及其定子的电激励方式，电机本体具有性能稳定，转速高，结构简单，重量轻，对陶瓷片的要求较单一，加工精度要求高和装配要求较低等特点，并且有助于提高电机的输出转速。本专利技术提供的高速旋转超声电机包括定子和转子，其特征在于：所述的定子包括金属圆盘以及穿过金属圆盘中心的碳纤维管，金属圆盘底部固定有四片压电陶瓷，第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上呈半圆式排列构成B相。A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号；所述的转子包括实心轴以及套在实心轴上的顶端的锥型台面，实心轴穿过碳纤维管中央与碳纤维管两端的斜面啮合。进一步改进，所述的金属圆盘外圆通过若干横幅连接有金属圆环，金属圆环上开有若干通孔。进一步改进，所述的碳纤维管两端开有倒角。进一步改进，所述的转子顶部穿过碳纤维管的部分套有弹簧和卡环，通过弹簧和卡环对转子施加预压力。本专利技术还提供了一种高速旋转超声电机的定子的电激励方式，其特征在于包括以下步骤：处于对角位置的第一片压电陶瓷正极化区朝上和第三片压电陶瓷正极化区朝下呈两个四分之一圆排列构成A相，处于对角位置的第二片压电陶瓷正极化区朝上和第四片压电陶瓷正极化区朝下呈两个四分之一圆排列构成B相，分别对A相和B相通以π/2相位差的两路同频正弦信号，定子的两个正交工作模态被同时激发出来，使金属圆盘面产生行波运动，端面上的质点具有椭圆型的运动轨迹，并将振动传递给碳纤维管，并推动压在碳纤维管上的转子转动。进一步改进，所述转子转动的正、反方向由A、B两相正弦信号的相位差确定，即π/2相位差使电机动子正向运动、－π/2相位差使电机动子反向运动。本专利技术有益效果在于：1. 结构的创新：结构简单，运行可靠，没有电磁干扰；压电陶瓷集中在轴心附近，在高速旋转使用环境下，离心力较小，不易发生破坏。2. 超声电机应用背景的创新：可以直接应用在微型无人机领域。3．工作模态的创新：由压电陶瓷激发的金属圆盘面面外弯曲振动：经有限元计算，其弯振模态易于激发定子金属圆盘的面外弯曲振动，谐波响应计算的振幅较高，有助于提高电机的输出转速，峰值可以达到5000rmin,稳定转速在3500rmin。附图说明图1为定子的结构示意图；图2为电子和转子装配示意图；图3为本专利技术整体结构示意图；图4为定子金属圆盘在x-z面做弯曲振动原理示意图；图5为定子A相振动模态仿真示意图；图6为定子B相振动模态仿真示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。本专利技术整体结构如图3所示，包括定子和转子，所述的定子如图1所示，包括金属圆盘2以及穿过金属圆盘2中心的碳纤维管1，金属圆盘底部面固定有四片压电陶瓷8，处于对角位置的第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，处于对角位置的第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上呈半圆式排列构成B相，A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号；所述的转子与定子装配如图2所示，转子包括实心轴6以及套在实心轴6上的顶端的锥型台面7，实心轴6穿过碳纤维管1中央与碳纤维管1两端的斜面啮合。进一步改进，所述的金属圆盘2外圆通过若干横幅5连接有金属圆环4，金属圆环4上开有若干通孔3。进一步改进，所述的碳纤维管1两端开有倒角。进一步改进，所述的转子顶部穿过碳纤维管1的部分套有弹簧和卡环，通过弹簧和卡环对转子施加预压力。本专利技术还提供了一种高速旋转超声电机的定子的电激励方式，其特征在于包括以下步骤：处于对角位置的第一片压电陶瓷正极化区朝上和第三片压电陶瓷正极化区朝下呈两个四分之一圆排列构成A相，处于对角位置的第二片压电陶瓷正极化区朝上和第四片压电陶瓷正极化区朝下呈两个四分之一圆排列构成B相，分别对A相和B相通以π/2相位差的两路同频正弦信号，定子的两个正交工作模态被同时激发出来（定子金属圆盘在x-z面做弯曲振动原理如图4所示），使金属圆盘面产生行波运动，端面上的质点具有椭圆型的运动轨迹，并将振动传递给碳纤维管，并推动压在碳纤维管上的转子转动。如图5和图6所示，以图中所示金属圆盘中心点为原点建立坐标系，当金属圆盘在x-z面内做弯曲振动时，此时金属圆盘的面外弯曲振动模型定义为A型模态；同理当金属圆盘在y-z面内做弯曲振动时，此时金属圆盘的面外弯曲振动模型定义为B型模态；A型模态和B型模态为同型正交的两组面外弯曲振动模态。当A相施加激励信号和B相同时施加激励信号时，会同时激励出金属圆盘x-z面和y-z面两个正交的弯振模态，由于这两个模态在空间相位上相差π/2，因此两个弯振模态叠加后是金属圆盘端面产生椭圆运动，振动模态传递至碳纤维管上的斜面也产生椭圆运动，经摩擦作用推动转子转动。转子转动的正、反方向由A、B两相正弦信号的相位差确定，即π/2相位差使电机动子正向运动、－π/2相位差使电机动子反向运动。本专利技术具体应用途径很多，以上所述仅是本专利技术的优选实施方式，应当指出，对于本
的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速旋转超声电机，包括定子和转子，其特征在于：所述的定子包括金属圆盘（2）以及穿过金属圆盘（2）中心的碳纤维管（1），金属圆盘底部面固定有四片压电陶瓷（8），处于对角位置的第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，处于对角位置的第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上呈半圆式排列构成B相，A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号；所述的转子包括实心轴（6）以及套在实心轴（6）上的顶端的锥型台面（7），实心轴（6）穿过碳纤维管（1）中央与碳纤维管（1）两端的斜面啮合。

【技术特征摘要】
1.一种高速旋转超声电机，包括定子和转子，其特征在于：所述的定子包括金属圆盘（2）以及穿过金属圆盘（2）中心的碳纤维管（1），金属圆盘底部面固定有四片压电陶瓷（8），处于对角位置的第一片压电陶瓷和第三片压电陶瓷正极化区朝上呈半圆式排列构成A相，处于对角位置的第二片压电陶瓷和第四片压电陶负极化区朝上呈半圆式排列构成B相，A相和B相所连接的外部激励信号为相位差为π/2的正弦信号；所述的转子包括实心轴（6）以及套在实心轴（6）上的顶端的锥型台面（7），实心轴（6）穿过碳纤维管（1）中央与碳纤维管（1）两端的斜面啮合。2.根据权利要求1所述的高速旋转超声电机，其特征在于：所述的金属圆盘（2）外圆通过若干横幅（5）连接有金属圆环（4），金属圆环（4）上开有若干通孔（3）。3.根据权利要求1所述的高速旋转超声电机，其特征在于：所述的碳纤维管（1）两端开有倒角。4.根据权利要求1所述的高速旋转超声电机，其特征在于：所述的转子顶部穿过碳纤维管（1）的部分套有...

【专利技术属性】
技术研发人员：芦小龙，王乐，赵淳生，薛成，吴树雄，王福飞，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32