申请/专利权人：南京航空航天大学

申请日：2018-08-09

公开（公告）日：2024-03-29

公开（公告）号：CN109067239B

主分类号：H02N2/14

分类号：H02N2/14;H02N2/12

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.29#授权;2019.01.15#实质审查的生效;2018.12.21#公开

摘要：本发明公开了一种基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机及方法，双转子超声电机包含定子组件、第一转子和第二转子；定子组件包含金属基体、第一驱动端、第二驱动端、以及第一至第三压电陶瓷片；第一驱动端、第二驱动端均包含螺纹杆、第一至第三三叉驱动头、圆盘和螺母。本发明采用了三角位移放大机构，具有加强输出效率的作用；舍去了传统超声电机设计时采用的弹簧预压装置，结构更为紧凑；同时具有非常好的对称性，这种结构控制特性和阻抗特性上的对称性有利于电机的控制器设计。

主权项：1.基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机的工作方法，所述基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机包含定子组件、第一转子和第二转子；所述定子组件包含金属基体、第一驱动端、第二驱动端、以及第一至第三压电陶瓷片；所述金属基体呈圆柱状，其上端面和下端面均设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽，金属基体的壁面上环向均匀设有第一至第三安装槽、分别用于设置第一至第三压电陶瓷片；所述第一驱动端、第二驱动端均包含螺纹杆、第一至第三三叉驱动头、圆盘和螺母；所述第一至第三三叉驱动头均包含第一长边、第二长边、短边、上定位边和下定位边，其中，所述短边、上定位边、下定位边平行设置；短边的一端分别和第一长边的一端、第二长边的一端相连，第一长边的另一端和上定位边的一端相连，第二长边的另一端和下定位边的一端相连；第一长边、上定位边和第二长边、下定位边关于所述短边所在直线对称；短边和上定位边位于第一长边两侧，且短边和第一长边之间的夹角、第一长边和上定位边之间的夹角均大于等于90°；所述螺纹杆的壁面上设有和其轴线平行的滑槽；所述圆盘的中心设有通孔，所述通孔内壁上设有和所述螺纹杆上滑槽匹配的滑块，使得所述圆盘套在所述螺纹杆上、能够在所述螺纹杆上上下自由滑动；所述第一驱动端的螺纹杆下端和所述金属基体上端面的中心固连；第一驱动端圆盘的下端面设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽；第一驱动端的第一至第三三叉驱动头的上定位边、下定位边分别对应设置在第一驱动端圆盘下端面等边三角形凹槽的三条边、金属基体上端面的等边三角形凹槽的三条边中；第一驱动端的螺母设置在所述第一驱动端的圆盘上、和第一驱动端的螺纹杆螺纹连接，用于提供预紧力、使得第一驱动端的第一至第三三叉驱动头均竖直设置在第一驱动端的圆盘下端面和金属基体上端面之间；所述第二驱动端的螺纹杆上端和所述金属基体下端面的中心固连；第二驱动端圆盘的上端面设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽；第二驱动端的第一至第三三叉驱动头的上定位边、下定位边分别对应设置在金属基体下端面的等边三角形凹槽的三条边、第二驱动端圆盘上端面等边三角形凹槽的三条边中；第二驱动端的螺母设置在所述第二驱动端的圆盘下、和第二驱动端的螺纹杆螺纹连接，用于提供预紧力、使得第二驱动端的第一至第三三叉驱动头均竖直设置在金属基体下端面和第二驱动端的圆盘上端面之间；所述第一转子、第二转子均呈圆管状，其内壁上设有环向凹槽；所述第一转子套在所述第一驱动端的第一至第三三叉驱动头外，第一驱动端中第一至第三三叉驱动头的短边均嵌在第一转子内壁上的环向凹槽中；所述第二转子套在所述第二驱动端的第一至第三三叉驱动头外，第二驱动端中第一至第三三叉驱动头的短边均嵌在第二转子内壁上的环向凹槽中；所述第一至第三压电陶瓷片对应设置在所述第一至第三安装槽内，均沿厚度方向极化，方向指向圆心，用于接外部激励信号以激励出定子组件处于三阶纵振模态；其特征在于，所述基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机的工作方法中，所述定子组件和第一转子的工作过程如下：给第一至第三压电陶瓷片同时施加正弦信号，使得定子组件处于三阶纵振；此时，在模态转换作用下激发出第一驱动端中第一至第三三叉驱动头的一阶弯振；第一驱动端圆盘上质点的位移方向与金属基体上端面上质点的位移方向相反，由此产生三角放大作用使第一驱动端第一至第三三叉驱动头的弯曲振幅得到加强，在第一驱动端第一至第三三叉驱动头的模态转换及三角放大的复合作用下，轴向的运动转变成第一驱动端第一至第三三叉驱动头短边接触点处的切向运动，接触合力方向指向圆心；由于第一驱动端第一至第三三叉驱动头的偏心布置，接触力产生转动力矩促使第一转子发生转动。

全文数据：基于三角位移放大的模态转换型双转子超声电机及方法技术领域本发明涉及超声电机领域，尤其涉及一种基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机及方法。背景技术压电陶瓷片是一种新型的功能材料，能够将机械能和电能互相转换。利用压电陶瓷的逆压电效应，可以将其设计成压电作动器以获得机械输出。尽管压电陶瓷片能够输出较大的力，但是由于输出位移的限制，无法满足有较大位移要求的工程领域，通常情况下要应用放大机构或者在谐振状态下工作。非谐振式的压电作动器通常采用放大机构对位移进行放大，如三角位移放大机构，放大倍数只与斜杠的倾斜角度有关。谐振式的压电作动器利用共振原理对输出位移进行放大，如超声电机，利用压电材料的逆压电效应激发超声振动，并借助摩擦传动，将弹性体的微幅振动转换成转子的宏观旋转运动，将电能转换为机械能输出。模态转换型超声电机是一种具有单向输出特点的超声电机，一般只需一个纵振激励单元就可以通过模态转换结构得到接触点处质点的纵弯复合振动，具有结构简单、控制方便、输出功率大等优点。现阶段超声电机的设计大多数只对谐振时工作模态规划进行设计，将位移放大机构融入协同设计的案例较少。若将位移放大机构和超声电机的工作模态的规划结合设计，可获得叠加的输出位移，增强输出效果。发明内容本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机及方法。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机，包含定子组件、第一转子和第二转子；所述定子组件包含金属基体、第一驱动端、第二驱动端、以及第一至第三压电陶瓷片；所述金属基体呈圆柱状，其上端面和下端面均设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽，金属基体的壁面上环向均匀设有第一至第三安装槽、分别用于设置第一至第三压电陶瓷片；所述第一驱动端、第二驱动端均包含螺纹杆、第一至第三三叉驱动头、圆盘和螺母；所述第一至第三三叉驱动头均包含第一长边、第二长边、短边、上定位边和下定位边，其中，所述短边、上定位边、下定位边平行设置；短边的一端分别和第一长边的一端、第二长边的一端相连，第一长边的另一端和上定位边的一端相连，第二长边的另一端和下定位边的一端相连；第一长边、上定位边和第二长边、下定位边关于所述短边所在直线对称；短边和上定位边位于第一长边两侧，且短边和第一长边之间的夹角、第一长边和上定位边之间的夹角均大于等于90°；所述螺纹杆的壁面上设有和其轴线平行的滑槽；所述圆盘的中心设有通孔，所述通孔内壁上设有和所述螺纹杆上滑槽匹配的滑块，使得所述圆盘套在所述螺纹孔上、能够在所述螺纹孔上上下自由滑动；所述第一驱动端的螺纹杆下端和所述金属基体上端面的中心固连；第一驱动端圆盘的下端面设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽；第一驱动端的第一至第三三叉驱动头的上定位边、下定位边分别对应设置在第一驱动端圆盘下端面等边三角形凹槽的三条边、金属基体上端面的等边三角形凹槽的三条边中；第一驱动端的螺母设置在所述第一驱动端的圆盘上、和第一驱动端的螺纹杆螺纹连接，用于提供预紧力、使得第一驱动端的第一至第三三叉驱动头均竖直设置在第一驱动端的圆盘下端面和金属基体上端面之间；所述第二驱动端的螺纹杆上端和所述金属基体下端面的中心固连；第二驱动端圆盘的上端面设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽；第二驱动端的第一至第三三叉驱动头的上定位边、下定位边分别对应设置在金属基体下端面的等边三角形凹槽的三条边、第二驱动端圆盘上端面等边三角形凹槽的三条边中；第二驱动端的螺母设置在所述第二驱动端的圆盘下、和第二驱动端的螺纹杆螺纹连接，用于提供预紧力、使得第二驱动端的第一至第三三叉驱动头均竖直设置在金属基体下端面和第二驱动端的圆盘上端面之间；所述第一转子、第二转子均呈圆管状，其内壁上设有环向凹槽；所述第一转子套在所述所述第一驱动端的第一至第三三叉驱动头外，第一驱动端中第一至第三三叉驱动头的短边均嵌在第一转子内壁上的环向凹槽中；所述第二转子套在所述所述第二驱动端的第一至第三三叉驱动头外，第二驱动端中第一至第三三叉驱动头的短边均嵌在第二转子内壁上的环向凹槽中；所述第一至第三压电陶瓷片对应设置在所述第一至第三安装槽内，均沿厚度方向极化，方向指向圆心，用于接外部激励信号以激励出定子组件处于三阶纵振模态。作为本发明基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机进一步的优化方案，所述第一长边和上定位边之间的夹角的范围为90°-135°。本发明还公开了一种该基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机的工作方法，所述定子组件和第一转子的工作过程如下：给第一至第三压电陶瓷片同时施加正弦信号，使得定子组件处于三阶纵振；此时，在模态转换作用下激发出第一驱动端中第一至第三三叉驱动头的一阶弯振；第一驱动端圆盘上质点的位移方向与金属基体上端面上质点的位移方向相反，由此产生三角放大作用使第一驱动端第一至第三三叉驱动头的弯曲振幅得到加强，在第一驱动端第一至第三三叉驱动头的模态转换及三角放大的复合作用下，轴向的运动转变成第一驱动端第一至第三三叉驱动头短边接触点处的切向运动，接触合力方向指向圆心；由于第一驱动端第一至第三三叉驱动头的偏心布置，接触力产生转动力矩促使第一转子发生转动。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明中超声电机采用贴片式结构，压电陶瓷片工作在d31模式下，相比于夹心式结构，陶瓷片出现损坏时容易更换，同时省去了预紧螺栓等结构，装配方便，易于微型化；本发明中的超声电机结构具有非常好的对称性，这种结构控制特性和阻抗特性上的对称性有利于电机的控制器设计；本发明中采用了三角位移放大机构，具有加强输出效率的作用；本发明舍去了传统超声电机设计时采用的弹簧预压装置，结构更为紧凑。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中定子组件的结构示意图；图3是本发明中金属基体的结构示意图；图4是本发明中三叉驱动头的结构示意图；图5是本发明的第一转子替代方案的结构示意图；图6是本发明的压电陶瓷片极化方向及信号施加方式；图7是本发明的驱动原理示意图。其中，1-第一转子，2-定子组件，3-第二转子，4-螺纹杆，5-螺母，6-圆盘，7三叉驱动头，8-金属基体，9-压电陶瓷片，10第一转子基体，11-螺栓，12-第二转子基体。具体实施方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。如图1所示，本发明提供了一种基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机，包含定子组件、第一转子和第二转子。如图2所示，所述定子组件包含金属基体、第一驱动端、第二驱动端、以及第一至第三压电陶瓷片。如图3所示，所述金属基体呈圆柱状，其上端面和下端面均设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽，金属基体的壁面上环向均匀设有第一至第三安装槽、分别用于设置第一至第三压电陶瓷片。所述第一驱动端、第二驱动端均包含螺纹杆、第一至第三三叉驱动头、圆盘和螺母；如图4所示，所述第一至第三三叉驱动头均包含第一长边、第二长边、短边、上定位边和下定位边，其中，所述短边、上定位边、下定位边平行设置；短边的一端分别和第一长边的一端、第二长边的一端相连，第一长边的另一端和上定位边的一端相连，第二长边的另一端和下定位边的一端相连；第一长边、上定位边和第二长边、下定位边关于所述短边所在直线对称；短边和上定位边位于第一长边两侧，且短边和第一长边之间的夹角、第一长边和上定位边之间的夹角均大于等于90°；所述螺纹杆的壁面上设有和其轴线平行的滑槽；所述圆盘的中心设有通孔，所述通孔内壁上设有和所述螺纹杆上滑槽匹配的滑块，使得所述圆盘套在所述螺纹孔上、能够在所述螺纹孔上上下自由滑动。所述第一驱动端的螺纹杆下端和所述金属基体上端面的中心固连；第一驱动端圆盘的下端面设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽；第一驱动端的第一至第三三叉驱动头的上定位边、下定位边分别对应设置在第一驱动端圆盘下端面等边三角形凹槽的三条边、金属基体上端面的等边三角形凹槽的三条边中；第一驱动端的螺母设置在所述第一驱动端的圆盘上、和第一驱动端的螺纹杆螺纹连接，用于提供预紧力、使得第一驱动端的第一至第三三叉驱动头均竖直设置在第一驱动端的圆盘下端面和金属基体上端面之间。所述第二驱动端的螺纹杆上端和所述金属基体下端面的中心固连；第二驱动端圆盘的上端面设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽；第二驱动端的第一至第三三叉驱动头的上定位边、下定位边分别对应设置在金属基体下端面的等边三角形凹槽的三条边、第二驱动端圆盘上端面等边三角形凹槽的三条边中；第二驱动端的螺母设置在所述第二驱动端的圆盘下、和第二驱动端的螺纹杆螺纹连接，用于提供预紧力、使得第二驱动端的第一至第三三叉驱动头均竖直设置在金属基体下端面和第二驱动端的圆盘上端面之间。所述第一转子、第二转子均呈圆管状，其内壁上设有环向凹槽；所述第一转子套在所述所述第一驱动端的第一至第三三叉驱动头外，第一驱动端中第一至第三三叉驱动头的短边均嵌在第一转子内壁上的环向凹槽中；所述第二转子套在所述所述第二驱动端的第一至第三三叉驱动头外，第二驱动端中第一至第三三叉驱动头的短边均嵌在第二转子内壁上的环向凹槽中；所述第一至第三压电陶瓷片对应设置在所述第一至第三安装槽内，均沿厚度方向极化，方向指向圆心，用于接外部激励信号以激励出第一驱动端、第二驱动端处于三阶纵振模态。所述第一长边和上定位边之间的夹角的范围为90°-135°。如图5所示，为了便于加工，第一转子、第二转子也可以采用图中的结构来替代，第一转子基体和第二转子基体相配合，并以螺栓进行固定，形成内壁上的凹槽。图6所示为本发明压电陶瓷片的极化反向和激励信号施加方式，三片压电陶瓷片9均沿厚度方向极化，方向指向圆心，通过施加正弦信号以激励定子组件三阶纵振模态。现结合图7对本发明定子组件和第一驱动端的工作方式进行说明，给第一至第三压电陶瓷片同时施加正弦信号，使得定子组件处于三阶纵振；此时，在模态转换作用下激发出第一驱动端中第一至第三三叉驱动头的一阶弯振；第一驱动端圆盘上质点的位移方向与金属基体上端面上质点的位移方向相反，由此产生三角放大作用使第一驱动端第一至第三三叉驱动头的弯曲振幅得到加强，在第一驱动端第一至第三三叉驱动头的模态转换及三角放大的复合作用下，轴向的运动转变成第一驱动端第一至第三三叉驱动头短边接触点处的切向运动，接触合力方向指向圆心。由于第一驱动端第一至第三三叉驱动头的偏心布置，接触力的一部分分量由沿第一驱动端第一至第三三叉驱动头短边方向的支撑力平衡，剩下部分由第一驱动端第一至第三三叉驱动头沿圆周切向的摩擦力平衡，进而产生转动力矩促使第一转子发生转动。第二转子的转动原理和第一转子一样。若第一驱动端、第二驱动端中第一至第三三叉驱动头的布置方式关于金属基体的中心对称，则两转子组件的旋向相反；若第一驱动端、第二驱动端中第一至第三三叉驱动头的布置方式关于金属基体的中心面镜像对称，则两转子组件的旋向相同。本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包含技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机，其特征在于，包含定子组件、第一转子和第二转子；所述定子组件包含金属基体、第一驱动端、第二驱动端、以及第一至第三压电陶瓷片；所述金属基体呈圆柱状，其上端面和下端面均设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽，金属基体的壁面上环向均匀设有第一至第三安装槽、分别用于设置第一至第三压电陶瓷片；所述第一驱动端、第二驱动端均包含螺纹杆、第一至第三三叉驱动头、圆盘和螺母；所述第一至第三三叉驱动头均包含第一长边、第二长边、短边、上定位边和下定位边，其中，所述短边、上定位边、下定位边平行设置；短边的一端分别和第一长边的一端、第二长边的一端相连，第一长边的另一端和上定位边的一端相连，第二长边的另一端和下定位边的一端相连；第一长边、上定位边和第二长边、下定位边关于所述短边所在直线对称；短边和上定位边位于第一长边两侧，且短边和第一长边之间的夹角、第一长边和上定位边之间的夹角均大于等于90°；所述螺纹杆的壁面上设有和其轴线平行的滑槽；所述圆盘的中心设有通孔，所述通孔内壁上设有和所述螺纹杆上滑槽匹配的滑块，使得所述圆盘套在所述螺纹孔上、能够在所述螺纹孔上上下自由滑动；所述第一驱动端的螺纹杆下端和所述金属基体上端面的中心固连；第一驱动端圆盘的下端面设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽；第一驱动端的第一至第三三叉驱动头的上定位边、下定位边分别对应设置在第一驱动端圆盘下端面等边三角形凹槽的三条边、金属基体上端面的等边三角形凹槽的三条边中；第一驱动端的螺母设置在所述第一驱动端的圆盘上、和第一驱动端的螺纹杆螺纹连接，用于提供预紧力、使得第一驱动端的第一至第三三叉驱动头均竖直设置在第一驱动端的圆盘下端面和金属基体上端面之间；所述第二驱动端的螺纹杆上端和所述金属基体下端面的中心固连；第二驱动端圆盘的上端面设有顶点在圆周上的等边三角形凹槽；第二驱动端的第一至第三三叉驱动头的上定位边、下定位边分别对应设置在金属基体下端面的等边三角形凹槽的三条边、第二驱动端圆盘上端面等边三角形凹槽的三条边中；第二驱动端的螺母设置在所述第二驱动端的圆盘下、和第二驱动端的螺纹杆螺纹连接，用于提供预紧力、使得第二驱动端的第一至第三三叉驱动头均竖直设置在金属基体下端面和第二驱动端的圆盘上端面之间；所述第一转子、第二转子均呈圆管状，其内壁上设有环向凹槽；所述第一转子套在所述所述第一驱动端的第一至第三三叉驱动头外，第一驱动端中第一至第三三叉驱动头的短边均嵌在第一转子内壁上的环向凹槽中；所述第二转子套在所述所述第二驱动端的第一至第三三叉驱动头外，第二驱动端中第一至第三三叉驱动头的短边均嵌在第二转子内壁上的环向凹槽中；所述第一至第三压电陶瓷片对应设置在所述第一至第三安装槽内，均沿厚度方向极化，方向指向圆心，用于接外部激励信号以激励出定子组件处于三阶纵振模态。2.根据权利要求1所述的基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机，其特征在于，所述第一长边和上定位边之间的夹角的范围为90°-135°。3.根据权利要求1所述的基于三角位移放大的模态转换双转子超声电机的工作方法，其特征在于，所述定子组件和第一转子的工作过程如下：给第一至第三压电陶瓷片同时施加正弦信号，使得定子组件处于三阶纵振；此时，在模态转换作用下激发出第一驱动端中第一至第三三叉驱动头的一阶弯振；第一驱动端圆盘上质点的位移方向与金属基体上端面上质点的位移方向相反，由此产生三角放大作用使第一驱动端第一至第三三叉驱动头的弯曲振幅得到加强，在第一驱动端第一至第三三叉驱动头的模态转换及三角放大的复合作用下，轴向的运动转变成第一驱动端第一至第三三叉驱动头短边接触点处的切向运动，接触合力方向指向圆心；由于第一驱动端第一至第三三叉驱动头的偏心布置，接触力产生转动力矩促使第一转子发生转动。

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