CN102025286A

CN102025286A - 一种基于交变力的直线超声电机

Info

Publication number: CN102025286A
Application number: CN 201010558702
Authority: CN
Inventors: 姚志远; 沙金; 周胜利; 赵雷
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2030-11-25
Also published as: CN102025286B

Abstract

一种基于交变力的直线超声电机，包括定子和动子，所述定子包括左右两个兰杰文振子沿中心线对接构成，每个兰杰文振子整体呈截面由尾部向头部渐缩的连续截面杆式结构，左右两个兰杰文振子的头部对接连为一体，兰杰文振子的下部设有夹持件，所述夹持件安装于一组压电陶瓷片之间，所述定子的两端设有预紧力螺栓，在两个兰杰文振子对接处平行于振子纵振面的表面粘贴一片驱动足用压电陶瓷片，在驱动足用压电陶瓷片上再粘贴电极片以及摩擦片构成驱动足，所述动子为一直线导轨，与所述定子设置成平行结构,并在驱动足处相互接触。本发明有助于提高电机的速度、输出力和运行效率。结构简单、尺寸小、输出力大、速度大、效率高。

Description

一种基于交变力的直线超声电机

技术领域

基于交变力的直线超声电机及工作模态和电激励方式，属超声电机技术领域。

背景技术

超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。与电磁电机相比，具有结构紧凑、低速大转矩、响应快(毫秒级)、断电自锁、位置和速度控制性好、不受电磁干扰以及低噪声运行等优点，在航空航天、微型机械、机器人、精密仪器仪表、伺服机构、医疗器械等领域拥有广阔的应用前景。

直线型超声电机属于超声电机的一个分类。按照直线型超声电机定子的结构是平板和杆(或杆的组合结构)，将直线超声电机划分为板结构和杆结构。板结构直线超声电机虽然其结构简单，设计灵活，但其输出速度和力较小。对于工业机器人、航空航天等应用领域需要具有大输出力、效率高的直线型超声电机。杆式直线超声电机，具有输出力、运行速度大等优点。其一般包括动子和定子，其结构特征在于：动子为一直线导轨，定子由若干个兰杰文振子构成，通过调节频率一致，使振子两相振动模态复合振动(运动)，在驱动足形成空间椭圆运动，与动子接触摩擦推动动子运动。对于这类超声电机在定、转子的接触界面上，定、转子的相互作用表现为切向和法向表变力的共同作用，它们在空间相互垂直，在时间上相差π/2。但是，由于现有的直线超声电机利用结构的振动提供法向力(通常是定子的对称模态产生的法向振动)。在这种设计中，定子的对称模态的振动状态受定、转子间的预压力的影响，当预压力充分大时，定子的对称模态的振动将受到限制，从而导致法向交变力减小，输出力降低。也就是说，现有的直线超声电机的结构特征限制了电机输出力的进一步提高。本项发明，仅仅利用结构的一项振动模态，提供切向交变力，并利用纵振压电片直接提供法向交变力。由于法向交变力不受预压力的影响，因此，可以通过增加预压力提高电机的输出力。本发明提出的直线超声电机将会比现有的直线超声电机具有更大的输出力。另外，本发明仅仅利用了结构的一项模态，因此，不存在现有直线超声电机设计中存在的模态一致性问题，使得结构设计更加容易和简单。

目前国内直线超声电机的研究发展很快，清华大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校先后对直线超声电机展开了研究。在中国专利网上，从2004年开始陆续刊登了环形驻波直线超声电机【200510046044.9】、棱柱型纵弯复合振子直线超声电机【200610132316.1】、三角形弯板式压电直线超声电机【200710045921.X】、H形驻波直线超声电机振子【200820014739.8】等。近年来，南京航空航天大学研制成功了圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及电激励方法【200710020963.8】、基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机【200g10124426.2】等。这类直线都利用了结构的两项模态，通过对称模态振动(或纵振、或弯振模态)提供法向交变力。目前，尚未见到利用一项结构振动提供切线交变力、直接利用纵振压电陶瓷提供法向交变力的直线超声电机的报道。

发明内容

本发明的目的在于研制一种结构简单、输出力大、运行速度快、输出效率高的基于交变力的直线超声电机及工作模态和电激励方式。与传统直线超声电机依靠驱动足形成空间椭圆运动进而推动动子的驱动方式不同，本电机提出了一种以力变化为基础的全新的驱动方式，不涉及振动模态频率一致性问题，使直线超声电机的结构设计更加容易，输出力更大。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于交变力的直线超声电机，包括定子和动子，所述定子包括左右两个兰杰文振子沿中心线对接构成，每个兰杰文振子包括前端盖、后端盖、压电陶瓷片和对应的电极片组成，且每个兰杰文振子整体呈截面由尾部向头部渐缩的连续截面杆式结构，左右两个兰杰文振子的头部对接连为一体，兰杰文振子的下部设有夹持件，所述夹持件安装于一组压电陶瓷片之间，所述定子的两端设有预紧力螺栓，在两个兰杰文振子对接处平行于振子纵振面的表面粘贴一片驱动足用压电陶瓷片，在驱动足用压电陶瓷片上再粘贴电极片以及摩擦片构成驱动足，所述动子为一直线导轨，与所述定子设置成平行结构，并在驱动足处相互接触。

一种直线超声电机的电激励方法，首先使用正弦信号激发驱动足用压电陶瓷片，它的伸缩使驱动足表面挤压应力呈周期性变化，于是驱动足做往复运动的时候驱动力会呈周期性变化；其次对于定子左右的两个兰杰文振子，分别用与上述正弦信号相位差为正负π/2的同频正弦信号激发出纵振模态，由于所述定子与动子布置成平行结构，在驱动足处的定子振动仍旧平行于动子的运动方向，振动中的定子与动子由于摩擦作用产生沿动子运动方向的切向力，定子和动子在接触面上受切向和法向两个交变力的作用，这两个交变力在空间相互垂直，在时间上相差π/2，动子导轨1在两个交变力的共同作用下做直线运动。

有益效果：

(1)兰杰文振子中不存在突变截面(有相同的声阻抗)，对平面声波不会产生反射波。

(2)连续变截面杆采用后向前渐缩设计，使得它在每个截面上具有相同的声阻抗。

(3)连续变截面杆采用由后向前渐缩设计，也使得兰杰文振子的头部的振动被放大。

(4)定子通过驱动足和兰杰文振子在连接面上连续收缩连接而成，也使得定子在驱动足处的弯矩减小。

(5)定、动子导轨在接触面上受切向和法向两个交变力的作用，这两个交变力在空间相互垂直，在时间上相差π/2，动子在它们的共同作用下做直线运动。因此，本发明的设计方案，有助于提高电机的速度、输出力和运行效率。该直线超声电机结构简单、尺寸小、输出力大、速度大、效率高。

附图说明

图1为基于交变力的直线超声电机结构示意图

图2为本发明提出的基于交变力的直线超声电机结构的压电陶瓷极化布置方式及电激励方式

图1中标号名称：1.直线导轨；2.后端盖；3.前端盖；4.驱动足用压电陶瓷片；5.电极片；6.压电陶瓷片；7.夹持件；8.摩擦片；9.预紧力螺栓。

具体实施方式

一种基于交变力的直线超声电机如图1所示，包括定子和动子，其特征在于：所述定子主要由左右两个兰杰文振子沿中心线对接构成，每个兰杰文振子均由前端盖3、后端盖2、压电陶瓷片6和对应的电极片5组成，且整体呈截面由尾部向头部渐缩的连续截面杆式结构，左右两个兰杰文振子的头部对接连为一体，另外在两个兰杰文振子对接处平行于振子纵振面的表面粘贴一片驱动足用压电陶瓷片4，在驱动足用压电陶瓷片4上再粘贴电极片5以及一片摩擦片8构成驱动足，动子为一直线导轨1与上述定子布置成平行结构，并在驱动足处相互接触。本发明的外部支撑件打有通孔，通过预紧力螺栓9用以安装定子以及预压力装置，将定子和动子连接成一整体构成基于交变力的直线超声电机。

本发明电激励方法是：使用正弦信号激发驱动足用压电陶瓷片4，它的伸缩使驱动足表面挤压应力呈周期性变化，于是驱动足做往复运动的时候驱动力会呈周期性变化，对于定子左右的两个兰杰文振子，分别用与以上正弦信号相位差为正负π/2的同频正弦信号激发出纵振模态，由于所述定子与直线导轨1布置成平行结构，在驱动足处的定子振动(往复运动)仍旧平行于动子的运动方向，振动中的定子与动子由于摩擦作用产生沿动子运动方向的切向力。定、动子在接触面上受切向和法向两个交变力的作用，这两个交变力在空间相互垂直，在时间上相差π/2，动子在它们的共同作用下做直线运动。该电机定子由超声变幅杆原理的兰杰文振子构成，可以使驱动足获得较大的位移，使电机实现较大的位移，使电机实现输出力大，运行速度快，输出效率高的特点。

结构设计原则：1.由压电陶瓷片的逆压电效应激发兰杰文振子的振动模态。2.以相位差为π/2的两个同频率正弦信号分别激励定子左右的纵振压电陶瓷片以及驱动足处的纵振陶瓷片，在驱动足处形成应力椭圆，驱动动子做直线运动。3.以正弦信号激励驱动足处的纵振片，并以与之相位差为正负π/2的同频正弦信号分别激励定子左右的纵振压电陶瓷片，在驱动足处形成应力椭圆，驱动动子做直线运动。

下面是基于交变力的直线超声电机的例子：

利用压电陶瓷片的逆压电效应d₃₃激发出定子的振动模态及中部贴片陶瓷的振动。图1是电机的结构示意图，它主要由定子、动子组成。定子主要由两个兰杰文振子沿中心线相互对接构成，每个兰杰文振子包括前端盖3、后端盖2、夹持件7、压电陶瓷片4、电极片5、螺栓9、摩擦片8。相接的两个兰杰文振子的压电陶瓷片6共8片，分为四组，每两片压电陶瓷片6构成一组，每组两片压电陶瓷片6之间夹有电极片5。每一组压电陶瓷片6分别布置在夹持件7的两侧。另外在两个兰杰文振子对接处平行于振子纵振面的表面粘贴一片驱动足用压电陶瓷片4，在驱动足用压电陶瓷片4上再粘贴电极片5以及一片摩擦片8构成驱动足。前端盖2设有预紧力螺栓9，通过预紧力螺栓9将定子各部件连为一体，其前端盖3横截面由后向前为渐缩状态，形成超声变幅杆，用以放大电机定子驱动足处的振幅。

电机定子压电陶瓷片安放方式及电激励方式见图2，对接的兰杰文振子有8片压电陶瓷片6，共分为四组，分别位于夹持件7的上下两侧，每组包含一对极化方向相反的压电陶瓷片6。每组压电陶瓷片6的中间安放电极片5，用于外接激励信号。另外在两个兰杰文振子对接处平行于振子纵振面的表面粘贴一片驱动足用压电陶瓷片4，在驱动足用压电陶瓷片4上再粘贴电极片5以及一片摩擦片8构成驱动足，动子为一直线导轨1与上述定子布置成平行结构，并在驱动足处相互接触。分别提供正弦激励信号E＝Usin(ωt+π/2)及E＝U sin(ωt-π/2)给两边的四组压电陶瓷片6，同时提供正弦激励信号E＝Usinωt给驱动足处用陶瓷片4，同时激励出定子的纵振以及驱动足用陶瓷片4的伸缩运动，利用驱动足做往复运动的时候驱动力周期性变化驱动动子。

Claims

1.一种基于交变力的直线超声电机，包括定子和动子，其特征在于：所述定子包括左右两个兰杰文振子沿中心线对接构成，每个兰杰文振子包括前端盖、后端盖、压电陶瓷片和对应的电极片组成，且每个兰杰文振子整体呈截面由尾部向头部渐缩的连续截面杆式结构，左右两个兰杰文振子的头部对接连为一体，兰杰文振子的下部设有夹持件，所述夹持件安装于一组压电陶瓷片之间，所述定子的两端设有预紧力螺栓，在两个兰杰文振子对接处平行于振子纵振面的表面粘贴一片驱动足用压电陶瓷片，在驱动足用压电陶瓷片上再粘贴电极片以及摩擦片构成驱动足，所述动子为直线导轨，与所述定子设置成平行结构, 并在驱动足处相互接触。

2.如权利要求1所述的一种直线超声电机的电激励方法，其特征在于：首先使用正弦信号激发驱动足用压电陶瓷片，它的伸缩使驱动足表面挤压应力呈周期性变化，于是驱动足做往复运动的时候驱动力会呈周期性变化；其次对于定子左右的两个兰杰文振子，分别用与上述正弦信号相位差为正负

的同频正弦信号激发出纵振模态，由于定子与动子布置成平行结构，在驱动足处的定子振动仍旧平行于动子的运动方向，振动中的定子与动子由于摩擦作用产生沿动子运动方向的切向力，定子和动子在接触面上受切向和法向两个交变力的作用，这两个交变力在空间相互垂直，在时间上相差

，动子在两个交变力的共同作用下做直线运动。