圆环结构行波型非接触液体媒质超声波电机

摘要

本发明涉及一种非接触超声波电机，包括定子体、转子、还包括可逆驱动电路和转速跟踪控制装置。定子体为环形柱体，其外侧设置有环形压电陶瓷片和电极；可逆驱动电路包括直流电源、方波发生器、分频移相器、功率放大电路、变压器升压电路；频率跟踪转速控制装置包括控制信号接口电路、控制器、电机振动检测电路，其中的电机振动检测电路包括积分移相电路、比例放大电路、减法电路、鉴相电路。本发明的超声波电极具有结构简单、低成本、长寿命的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种超声波电机，属于微特电机领域。

背景技术

超声波电机利用定子在超声频域的振动，驱动转子旋转，其工作原理完全不同于电磁式电机，具有电磁式电机没有的优点。根据定子和转子之间能量传递的方式，超声波电机分为接触型和非接触型两类。传统的接触型超声波电机利用定子和转子之间的摩擦力，驱动转子运动，需要在定转子表面粘贴耐磨材料，因而成本高，工艺较复杂。在运转过程中，由于摩擦使得定子温度升高，降低了电机的使用寿命，且电机不能连续长时间运行。非接触型超声波电机可以采用液体媒质或气体媒质，作为能量传递的介质，定转子之间无摩擦，克服了接触型超声波电机的不足。现有的液体媒质非接触型超声波电机，压电片粘贴在定子环的上表面，当压电片激励定子振动时，定子不仅存在径向弯曲振动，还存在轴向弯曲振动，而轴向弯曲振动对驱动转子旋转作用较弱；另一方面，压电片的这种粘贴方式，要求定子环具有一定的厚度，定子谐振频率高，而超声波电机的工作频率应在谐振频率附近，工作频率高相应的控制系统的采样频率高，这为高精度控制系统的设计带来困难；第三，定子环内的液体密封性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是研制一种结构简单、低成本、长寿命的非接触超声波电机。为此，本发明采用如下的技术方案。

本发明的非接触超声波电机，包括定子体、转子，还包括可逆驱动电路和转速跟踪控制装置，其中，

转子安装在转轴上，转轴通过轴承安装在盖板上，盖板和底座之间固定连接，转子上设置有至少一对叶片，叶片浸入液体中；

定子体为环形柱体，其外侧设置有环形压电陶瓷片，下表面与底座之间设置密封件，定子体内充有液体；压电陶瓷片共有4片，沿厚度方向极化，极化方向相同，相邻片间隔相等；

可逆驱动电路包括直流电源、方波发生器、分频移相器、功率放大电路、变压器升压电路；直流电源分别连到方波发生器、分频移相器和功率放大电路；方波发生器的输入端连接分频移相器，分频移相器输出相位差依次为90°的4路控制信号，并被分别连接到功率放大电路；由变压器升压电路将功率放大电路的四路输出升压后分别连接至4个压电陶瓷片；利用压电陶瓷片本身的等效电容滤去方波中的低次谐波，得到交变的正弦电压；

频率跟踪转速控制装置包括控制信号接口电路、控制器、电机振动检测电路，其中，控制信号接口电路用于给定转速的设置及电机启动/停止、正/反转控制；电机振动检测电路包括积分移相电路、比例放大电路、减法电路、鉴相电路；由积分移相电路将采样得到的电机驱动电压移相90°，再经比例放大电路和减法电路输出检测信号，鉴相电路输出检测信号和驱动电压之间的相位差，此相位差作为控制器的反馈信号；控制器根据反馈信号和从控制信号接口电路输入的给定转速，调节驱动电路输出电压的频率。

上述的功率放大电路可以为集成的两路桥式电路，将输入的两路相差90°的方波控制信号放大为大电流功率信号。变压器升压电路可以包括两个变压器，每个变压器由一个原边线圈和一个带中间抽头的副边线圈构成，副边线圈的两端分别连到超声波电机对应的压电陶瓷片，副边线圈的中间抽头连接在一起，连接到超声波电机的定子体。

本发明的突出的优点是：

1、定转子之间无摩擦，提高了电机寿命，电机可长时间运行，而且由于不需要在定转子上粘贴摩擦材料，工艺简单，容易实现微型化。

2、定子激发出液体媒质稳定的流动，可以实现对液体的直接驱动。

3、压电陶瓷片的粘贴方式由现有的贴在定子环上表面改进为贴在定子环外侧，可显著减小定子环厚度，从而降低定子固有振动频率，大大减小控制系统的采样频率及采集的数据量，简化控制系统的设计。

4、转速控制装置无需速度传感器，根据驱动电压和驱动电流获得电机振动状态，进而得到电机转速，降低了系统成本，增大了电机的应用范围。

5、转速控制装置采用了智能控制器，系统控制精度高。速度辨识策略简单，可移植性好，对于参数不同的非接触液体媒质超声波电机，只需调节振动检测电路中的比例系数。

6、利用超声波电机本身呈容性的特点滤掉驱动电压中的高次谐波，获得正弦电压，简化了驱动电路结构。

附图说明

图1为本发明的非接触液体媒质超声波电机结构示意图。

图中标号名称：1、转轴，2、轴承，3、压电陶瓷，4、螺母，5、盖板，6、螺杆，7、定子体，8、螺母，9、垫圈，10、底座，11、螺杆，12、橡胶基板，13、转子，14、液体

图2为压电陶瓷排列方式和激励方式。

图3为本发明的可逆驱动电路原理图。

图4为本发明的频率跟踪转速控制装置。

图5为振动检测电路原理图。

具体实施方式

本发明是利用定子振动产生的强声场在液体中激发出声流，通过声流驱动转子旋转的新型超声波电机。它主要由定子、转子、液体媒质和支架组成。如图1所示，定子体7为圆环形，外侧粘贴压电陶瓷片3，下表面用橡胶基板12密封，利用螺杆11和螺母8将定子底部凸台和底座10固定，在凸台和底座10之间设置垫圈9。在定子环内充有一定高度的液体14，带有叶片的转子13浸在液体中，与定子不直接接触，转轴1通过轴承2安装在盖板5上。支架组件的盖板5和底座11通过螺杆6和螺母4固定连接在一起。

图2为压电陶瓷片排列方式及激励方式。压电陶瓷片共有4片，各片形状大小相同，相邻片间隔相等。对压电陶瓷片分别施加Asinωt、Acosωt、-Asinωt、-Acosωt的交流电压(A为电压幅值)时，定子激发出4个在时间上相位互差90°的驻波，最终合成为旋转的行波，在液体媒质中产生非线性强声场，在这个强声场的作用下，液体产生稳定的流动——声流，声流驱动转子旋转，完成能量转换。转子旋转方向与行波方向一致，可以通过改变压电片的激励方式，改变行波的方向，实现对电机转向的控制。

根据图2所示的非接触液体媒质超声波电机的激励方式，要求驱动电路输出Asinωt，Acosωt，-Asinωt，-Acosωt四路正弦驱动信号。本发明可逆驱动电路如图3所示。控制器输出的四路两两相位差90°的方波信号，其中相位差180°的两路信号一组，输入到一路桥式电路。桥式电路实现了功率放大，将输入的控制信号放大为大电流功率信号。桥式电路的输出分别连到相应的变压器T1和T2原边线圈的两端，经过变压器升压到所需的电压，变压器副边线圈连接到超声波电机对应的压电陶瓷片，而副边线圈的公共端连接到定子体上，由于超声波电机的等效电路呈容性，驱动电压中的高次谐波被滤掉，得到交变的正弦电压，其频率和控制信号频率相同。压电陶瓷片受到激励，在超声波电机定子上产生行波，进而驱动转子旋转。

图4为频率跟踪转速控制装置原理图。如图所示，控制信号接口电路与控制器相连，控制器的输出接到电机驱动电路输入端，驱动电路连接到超声波电机。电压、电流传感器采集电机驱动电压和电流信号，输入到电机振动检测电路，电机振动检测电路连接到控制器。

本发明的转速控制装置中的控制器采用信号处理器(DSP)TMS320F2407，振动检测电路包括积分移相电路、比例电路、减法电路、鉴相电路。在控制装置中，DSP控制器是系统的核心，要完成的功能有：(1)接收外部速度给定和启动/停止、正/反转信号；(2)利用本身模数转换模块(A/D)对振动检测电路输出进行采样，根据采样数据辨识电机转速；(3)根据速度给定信号和转速辨识值，调节驱动信号的频率。振动检测电路对驱动电压、电流信号进行变换、运算，确定电机振动状态。控制信号接口电路完成给定转速的设置及电机启动/停止、正/反转控制。

下面介绍本发明采用的利用频率跟踪辨识电机转速的原理。超声波电机的等效电路由两个支路构成，一个为等效损耗电容支路，另一个为等效电感、电容、电阻串联支路。此串联支路电流和驱动电压之间的相位差α，随驱动电压频率改变而改变，当驱动频率和电机谐振频率一致时，相位差为0，而增大(减小)驱动频率，相位差减小(增大)。定义Δf为驱动频率和谐振频率的偏差，则α和Δf近似为线性关系。Δf描述了电机的振动状态，Δf＝0时，电机工作在谐振状态，此时转速最高，Δf≠0时，电机偏离谐振状态，转速下降，因此确定了Δf即可辨识出电机转速，这就是频率跟踪辨识转速的原理。本发明利用相位差α确定Δf。在振动检测电路中，由电压传感器得到的驱动电压，经积分电路移相90°并由比例电路放大后，与超声波电机电容支路的电流相对应。由电流传感器得到的驱动电流，减去此电容支路电流即得到了与串联支路电流对应的检测信号。最后，利用鉴相电路得到驱动电压和串联支路电流之间的相位差，控制器根据此相位差即可辨识出电机转速。

对于超声波电机，一般使驱动频率高于谐振频率，即电流滞后电压0-90°。电机运行时，当定子温度升高或液体媒质参数变化，引起电机谐振频率漂移时，电机转速将偏离设定值，此时振动检测电路将检测到驱动电压和串联支路电流相位差的变化，控制器根据设定值和反馈值的误差，改变内部定时器的计数周期，进而调节驱动信号的频率，使电机转速保持为设定值。

通过实验发现，与其它类型超声波电机情况相同，压电陶瓷片特性影响到非接触液体媒质超声波电机的性能，除此之外，合理选择液体的高度、种类及转子叶片的个数、长度也是提高非接触液体媒质超声波电机性能的关键。通过大量实验，我们发现，与甲醇、蒸馏水、20％甘油溶液、40％甘油溶液等相比，10％的甘油溶液的粘性系数约为1.3具有最好的转速特性；和液体高度为6cm，8cm，10cm，，14cm相比，高度为8cm时具有最好的转速特性；而转子叶片的数目、半径的大小也是影响转子旋转速度的直接因素，对于本发明的电机，在叶片数目为4，半径为22mm时，转速特性最好。

因而，本发明的超声波电机，定子体内的液体选用10％的甘油溶液，液体高度在8cm左右。而且，本发明的电机的叶片数目为4个，叶片半径为22mm。

本发明的超声波电机压电片激发出的定子振动以径向弯曲振动为主，在相同电压激励时，定子振动速度快，提高了电机内声场的强度，相应的可提高电机转速。采用压电片贴在定子环上表面的方式，电机内径为50mm，外径为60mm，高为20mm时，当驱动电压峰-峰值为160V时，定子的振动速度约为0.07m/s，液体媒质为蒸馏水时，电机转速为50r/min，而改进电机激励方式后，定子振动速度可以提高到0.1m/s左右，相应的电机转速也可提高到60r/min。

定子环厚度的减小，降低了定子固有振动频率，从而可以减小频率跟踪转速控制装置的采样频率，有利于频率跟踪转速控制装置的设计。当电机内径为50mm，外径为60mm，高为20mm，定子材料为硬铝时，电机驱动频率约为64kHz左右，而改进电机的激励方式，将定子厚度减小为2mm，电机的驱动频率约为31kHz。这将大大减小转速控制装置的采样频率及采集的数据量，简化了控制装置的设计。

需要说明的是，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或具体实施方式，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述发明，实际上在系统构成和使用的某些细节上会有所变化，这些变化和应用都应该属于本发明的范围内。