单定子三自由度超声电机 技术领域：
本发明的单定子三自由度超声电机属超声电机。
背景技术：
超声电机因具有电磁电机所没有的特点，而在航空、航天、医疗、微机电系统等领域有着广泛的应用前景，对超声电机的研究和开发，各发达国家都非常重视，但多数是限于单自由度超声电机的研究，随着科学技术和生产高度发展，迫切需要多自由度的超声电机。因此，国内外自二十世纪九十年代开始研究和开发二自由度、三自由度以及多自由度的超声电机。但多为球形转子和多定子所构成。其结构复杂，成本高，不便于推广应用。
1998年，Takafumimano等研制出了单定子三自由度电机的原理性样机。仅仅从理论上探讨了三个模态的两两组合可以实现三个自由度的运动。实际中具体问题较多：转子结构如何安排？三自由度振动之间的偶合如何消除？预压力如何实施？等等。
本发明的目的在于提供一种结构简单，能精确实现三自由度运动的单定子三自由度超声电机。为实现此目的，本发明的单定子三自由度超声电机的构成是由定子和转子构成。其特点是转子为球形转子，定子由三组夹于金属块(弹性体)之间的压电陶瓷元件及电极通过螺栓构成一整体的单定子，其中有两组压电陶瓷元件及电极同时夹于两块金属块之间，用来激发定子的弯曲振动，第三组压电陶瓷元件及电极夹于另两块金属块之间，用来激发定子的纵向振动。单定子最上端与球形转子相接触的金属块外侧开有环形槽，其目的是为了增大振动地振幅和调整频率，从而提高电机的性能。
附图说明：
图1是单定子三自由度超声电机结构示意图。
图2是压电陶瓷元件分区极化形式和在定子中排列的次序和方位示意图。
图1中标号名称：1、球形转子；2、5、7、8是金属块；3、4、6是压电陶瓷元件；9、螺栓。
图2中分别为A、B、C三组压电陶瓷元件。
【具体实施方式】
根据附图叙述本发明的具体实施方式和工作原理。
由图1可知，球形转子1置于定子上端，定子由A、B、C三组夹于金属块之间的压电陶瓷元件及电极通过螺栓9构成一整体的单定子结构，其中A、B两组压电陶瓷元件及电极3与4同时夹于金属块2与金属块5之间，C组压电陶瓷元件6夹于金属块5与金属块7之间。单定子上端与球形转子相接触的金属块2外侧开有环形槽，以增大振幅和调整频率，提高电机性能。压电陶瓷元件的极化方向如图2中的“+”与“-”所示。
本发明利用压电陶瓷元件来激励单定子三自由度超声电机定子的振动来产生所需工作模态，其中A和B两组的压电陶瓷元件用来激发两个空间相互垂直的弯曲振动，C组压电陶瓷元件用于激发定子的纵向振动。通过两两组合来实现单定子三自由度超声电机的三个自由度运动。
单定子三自由度超声电机绕Z轴旋转所需的模态是在A组和B组的压电陶瓷元件上通相位差为90°的高频交流电后，利用压电陶瓷元件的逆压电效应激发出定子的两个时间上、空间上相差90°的自由—自由梁的二阶弯曲振动模态。通过运动合成，定子端部上的任一质点运动轨迹为椭圆(简称椭圆运动)。通过转子与定子的摩擦接触产生的摩擦力驱动转子绕Z轴旋转。
当单定子三自由度超声电机绕X轴旋转所需的模态是由在B组和C组压电陶瓷元件上通两相相位差为90°的高频交流电信号，同时激出定子自由—自由杆的一阶纵向振动模态和自由—自由梁的二阶弯曲振动模态。通过运动的合成，定子端部上的质点产生椭圆运动。通过定子端部与转子的接触产生摩擦力驱动转子绕X轴旋转。
当单定子三自由度超声电机绕Y轴旋转时所需的模态是由在A组和C组压电陶瓷元件上通两相相位差为90°的高频交流电信号，同时激出自由—自由杆的一阶纵向振动模态和自由—自由梁的二阶弯曲振动模态。通过运动的合成，定子端部上的任一质点产生椭圆运动。通过定子与转子接触产生摩擦力驱动转子绕Y轴旋转。
激励弯曲振动的A和B组压电陶瓷元件位于这阶弯曲模态的波峰处，激励纵向振动的C组压电陶瓷元件位于这阶纵向模态的节点处。
本发明的超声电机在航空、航天、医疗、机器人、仿生学等高技术领域中有着广阔的应用前景。