專利名稱：單定子三自由度超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的單定子三自由度超聲電機(jī)屬超聲電機(jī)。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)因具有電磁電機(jī)所沒有的特點(diǎn)，而在航空、航天、醫(yī)療、微機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)超聲電機(jī)的研究和開發(fā)，各發(fā)達(dá)國家都非常重視，但多數(shù)是限于單自由度超聲電機(jī)的研究，隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)高度發(fā)展，迫切需要多自由度的超聲電機(jī)。因此，國內(nèi)外自二十世紀(jì)九十年代開始研究和開發(fā)二自由度、三自由度以及多自由度的超聲電機(jī)。但多為球形轉(zhuǎn)子和多定子所構(gòu)成。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，不便于推廣應(yīng)用。
1998年，Takafumimano等研制出了單定子三自由度電機(jī)的原理性樣機(jī)。僅僅從理論上探討了三個(gè)模態(tài)的兩兩組合可以實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。實(shí)際中具體問題較多轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如何安排？三自由度振動(dòng)之間的偶合如何消除？預(yù)壓力如何實(shí)施？等等。
本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單，能精確實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)的單定子三自由度超聲電機(jī)。為實(shí)現(xiàn)此目的，本發(fā)明的單定子三自由度超聲電機(jī)的構(gòu)成是由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為球形轉(zhuǎn)子，定子由三組夾于金屬塊(彈性體)之間的壓電陶瓷元件及電極通過螺栓構(gòu)成一整體的單定子，其中有兩組壓電陶瓷元件及電極同時(shí)夾于兩塊金屬塊之間，用來激發(fā)定子的彎曲振動(dòng)，第三組壓電陶瓷元件及電極夾于另兩塊金屬塊之間，用來激發(fā)定子的縱向振動(dòng)。單定子最上端與球形轉(zhuǎn)子相接觸的金屬塊外側(cè)開有環(huán)形槽，其目的是為了增大振動(dòng)的振幅和調(diào)整頻率，從而提高電機(jī)的性能。


圖1是單定子三自由度超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是壓電陶瓷元件分區(qū)極化形式和在定子中排列的次序和方位示意圖。
圖1中標(biāo)號(hào)名稱1、球形轉(zhuǎn)子；2、5、7、8是金屬塊；3、4、6是壓電陶瓷元件；9、螺栓。
圖2中分別為A、B、C三組壓電陶瓷元件。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)附圖敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
和工作原理。
由圖1可知，球形轉(zhuǎn)子1置于定子上端，定子由A、B、C三組夾于金屬塊之間的壓電陶瓷元件及電極通過螺栓9構(gòu)成一整體的單定子結(jié)構(gòu)，其中A、B兩組壓電陶瓷元件及電極3與4同時(shí)夾于金屬塊2與金屬塊5之間，C組壓電陶瓷元件6夾于金屬塊5與金屬塊7之間。單定子上端與球形轉(zhuǎn)子相接觸的金屬塊2外側(cè)開有環(huán)形槽，以增大振幅和調(diào)整頻率，提高電機(jī)性能。壓電陶瓷元件的極化方向如圖2中的“+”與“-”所示。
本發(fā)明利用壓電陶瓷元件來激勵(lì)單定子三自由度超聲電機(jī)定子的振動(dòng)來產(chǎn)生所需工作模態(tài)，其中A和B兩組的壓電陶瓷元件用來激發(fā)兩個(gè)空間相互垂直的彎曲振動(dòng)，C組壓電陶瓷元件用于激發(fā)定子的縱向振動(dòng)。通過兩兩組合來實(shí)現(xiàn)單定子三自由度超聲電機(jī)的三個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。
單定子三自由度超聲電機(jī)繞Z軸旋轉(zhuǎn)所需的模態(tài)是在A組和B組的壓電陶瓷元件上通相位差為90°的高頻交流電后，利用壓電陶瓷元件的逆壓電效應(yīng)激發(fā)出定子的兩個(gè)時(shí)間上、空間上相差90°的自由—自由梁的二階彎曲振動(dòng)模態(tài)。通過運(yùn)動(dòng)合成，定子端部上的任一質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓(簡稱橢圓運(yùn)動(dòng))。通過轉(zhuǎn)子與定子的摩擦接觸產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞Z軸旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)單定子三自由度超聲電機(jī)繞X軸旋轉(zhuǎn)所需的模態(tài)是由在B組和C組壓電陶瓷元件上通兩相相位差為90°的高頻交流電信號(hào)，同時(shí)激出定子自由—自由桿的一階縱向振動(dòng)模態(tài)和自由—自由梁的二階彎曲振動(dòng)模態(tài)。通過運(yùn)動(dòng)的合成，定子端部上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)。通過定子端部與轉(zhuǎn)子的接觸產(chǎn)生摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞X軸旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)單定子三自由度超聲電機(jī)繞Y軸旋轉(zhuǎn)時(shí)所需的模態(tài)是由在A組和C組壓電陶瓷元件上通兩相相位差為90°的高頻交流電信號(hào)，同時(shí)激出自由—自由桿的一階縱向振動(dòng)模態(tài)和自由—自由梁的二階彎曲振動(dòng)模態(tài)。通過運(yùn)動(dòng)的合成，定子端部上的任一質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)。通過定子與轉(zhuǎn)子接觸產(chǎn)生摩擦力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞Y軸旋轉(zhuǎn)。
激勵(lì)彎曲振動(dòng)的A和B組壓電陶瓷元件位于這階彎曲模態(tài)的波峰處，激勵(lì)縱向振動(dòng)的C組壓電陶瓷元件位于這階縱向模態(tài)的節(jié)點(diǎn)處。
本發(fā)明的超聲電機(jī)在航空、航天、醫(yī)療、機(jī)器人、仿生學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種單定子三自由度超聲電機(jī)，包括定子和轉(zhuǎn)子。其特征在于定子由三組夾于金屬塊之間的壓電陶瓷元件及電極通過螺栓構(gòu)成一整體的單定子結(jié)構(gòu)。
2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的單定子三自由度超聲電機(jī)，其特征在于三組夾于金屬塊之間的壓電陶瓷元件有兩組壓電陶瓷元件及電極同時(shí)夾于兩塊金屬塊之間，第三組壓電陶瓷元件及電極夾于另兩塊金屬塊之間。
3.依據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單定子三自由度超聲電機(jī)，其特征在于單定子最上端與球形轉(zhuǎn)子相接觸的金屬塊外側(cè)開有環(huán)形槽。
全文摘要
一種單定子三自由度超聲電機(jī)屬超聲電機(jī)。包括轉(zhuǎn)子和定子。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子為球形轉(zhuǎn)子(1),定子由三組夾于金屬塊(2、5、7、8)之間的壓電陶瓷元件(3、4、6)及電極通過螺栓(9)構(gòu)成一整體的單定子結(jié)構(gòu)。本超聲電機(jī)與現(xiàn)有技術(shù)相比,結(jié)構(gòu)簡單,能精確實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)的單定子三自由度超聲電機(jī),在航空、航天、醫(yī)療、機(jī)器人、仿生學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02N2/00GK1388637SQ0211316
公開日2003年1月1日 申請(qǐng)日期2002年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月14日
發(fā)明者趙淳生, 劉俊標(biāo), 黃衛(wèi)清 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)