CN112165274B - 基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，包括定子和动子，定子采用同向偏心式定子，定子包括金属弹性体、左端压电陶瓷、右端压电陶瓷、左下突出部、右下突出部、左下驱动足和右下驱动足，左下驱动足设于左下突出部的下表面最左端，右下驱动足设于金属弹性体的底部，且右下驱动足设于定子三阶弯振右侧振幅最大位置，动子设于左下驱动足和右下驱动足的共同下方；该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，通过构建定子质量的同向偏心，形成一阶纵振和三阶弯振的耦合模态，不需要进行模态简并，设计简洁、结构紧凑。

Description

基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机

技术领域

本发明涉及一种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机。

背景技术

对于直线式驻波型超声波电机，可分为单模态直线型超声波电机与多模态直线型超声波电机。对于多模态直线型超声波电机，较多的为纵-弯复合、纵-扭复合、弯-弯复合。但现有的复合型直线超声波电机需要调节定子的尺寸以拉近两种工作所需的振动模态的频率，从而在同一频率下同时激发两种工作模态形成一种复合模态，因此现有的复合型直线超声波电机存在着结构设计不理想，较为复杂，不利于加工生产，结构待优化的问题。

上述问题是在基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机过程中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机解决现有技术中存在的结构设计不理想，较为复杂，不利于加工生产，结构待优化的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，包括定子和动子，定子采用同向偏心式定子，定子包括金属弹性体、左端压电陶瓷、右端压电陶瓷、左下突出部、右下突出部、左下驱动足和右下驱动足，金属弹性体的两端底部分别设有左下突出部和右下突出部，左下突出部与金属弹性体形成左凹槽，左端压电陶瓷粘结在金属弹性体的左端，且左端压电陶瓷设于左凹槽内，右下突出部与金属弹性体形成右凹槽，右端压电陶瓷粘结在金属弹性体的右端，且右端压电陶瓷设于右凹槽内，左下驱动足设于左下突出部的下表面最左端，右下驱动足设于金属弹性体的底部，且右下驱动足设于定子三阶弯振右侧振幅最大位置，动子设于左下驱动足和右下驱动足的共同下方。

进一步地，同向偏心式定子是以x轴方向的中心点为分界线，且分界线平行于z轴，分界线左右两部分金属弹性体的等效质心沿z轴方向同时向上或同时向下偏离金属弹性体高度方向上的中心线相同高度，其中的中心线平行于x轴，且位于金属弹性体的z轴方向上的一半高度位置。

进一步地，左下驱动足的质量大于右下驱动足的质量，并在定子的金属弹性体的底部右端设有右下质量块；左下驱动足的质量等于右下驱动足和右下质量块质量之和，左下驱动足和右下驱动足具有相同的高度，且它们的高度大于右下质量块的高度，从而使得定子以长度方向的中心点为分界线的左右两部分的质心发生同向偏移。

进一步地，在金属弹性体的以长度方向的中心点为分界线的左右两部分的上表面分别对称挖去相同质量体，对称挖去的两块质量体采用相邻设置或不相邻设置，从而使得定子以长度方向的中心点为分界线的左右两部分的质心发生同向偏移。

进一步地，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的极化方向均为Z轴正方向，对左端压电陶瓷与右端压电陶瓷分别施加异向高频电场，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷发生扭转振动，在定子中激发出一阶纵振与三阶弯振耦合的振动模态振型。

进一步地，通过定子的三阶弯振和一阶纵振的耦合关系，使一阶纵振和三阶弯振同时发生，进而在右下驱动足、左下驱动足处产生斜直线运动轨迹，由右下驱动足、左下驱动足推动动子移动。

本发明的有益效果是：

一、该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，通过定子结构质量的同向偏心设计，能够使定子的一阶纵振和三阶弯振耦合在一起，避免了定子结构的模态简并设计。因此电机设计简洁合理，利于加工生产。

二、该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，利用端部压电陶瓷的扭振，对定子的弯振振型进行激发，并通过耦合效应同时激发定子的纵振振型。因此，电机只采用一种压电陶瓷和一个电源。电机结构紧凑。

附图说明

图1是本发明实施例基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机的采用附加质量块形成同向偏心式定子的结构示意图；

图2是本发明实施例基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机通过在金属弹性体的左右两部分的同侧表面挖去相同质量体形成同向偏心式定子的结构示意图；

图3是实施例中左端压电陶瓷布置方案的说明示意图；图3中，实线是左端压电陶瓷中电场为零时的左端压电陶瓷形变，虚线是左端压电陶瓷施加图示方向的电场E时的，左端压电陶瓷形变。

图4是实施例中右端压电陶瓷布置方案的说明示意图；图4中，实线是右端压电陶瓷中电场为零时的右端压电陶瓷形变，虚线是右端压电陶瓷施加图示方向的电场E时的，右端压电陶瓷形变。

图5是实施例中基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机前半周期波形产生机理图；图5中，虚线是压电陶瓷中电场为零时的定子形变，除下动子的实线是压电陶瓷施加负值分量最大电压时的定子形变；

图6是实施例中基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机后半周期波形产生机理图；图6中，虚线是压电陶瓷中电场为零时的定子形变，除下动子的实线是压电陶瓷施加正值分量最大电压时的定子形变；

其中：1-动子，2-右端压电陶瓷，3-左端压电陶瓷，4-右下驱动足，5-左下驱动足，6-右下突出部，7-左下突出部，8-金属弹性体，9-右下质量块，P-极化方向，E-电场方向，T-压电陶瓷的变形方向，V₁-动子运动方向，XYZ-空间坐标系。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，如图1和图2，包括定子和动子1，定子采用同向偏心式定子，定子包括金属弹性体8、左端压电陶瓷3、右端压电陶瓷2、左下突出部7、右下突出部6、左下驱动足5和右下驱动足4，金属弹性体8的两端底部分别设有左下突出部7和右下突出部6，左下突出部7与金属弹性体8形成左凹槽，左端压电陶瓷3粘结在金属弹性体8的左端，且左端压电陶瓷3设于左凹槽内，右下突出部6与金属弹性体8形成右凹槽，右端压电陶瓷2粘结在金属弹性体8的右端，且右端压电陶瓷2设于右凹槽内，左下驱动足5设于左下突出部7的下表面最左端，右下驱动足4设于金属弹性体8的底部，且右下驱动足4设于定子三阶弯振右侧振幅最大位置，动子1设于左下驱动足5和右下驱动足4的共同下方。

该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，利用端部压电陶瓷的扭转振动模式，激励定子弹性体的弯振，同时通过定子质量的同向偏心导致的耦合效应，激发定子弹性体的纵振，从而在定子中形成一阶纵振和三阶弯振耦合振动模态的振型，在左下驱动足5和右下驱动足4处产生斜直线运动，推动动子1移动。

该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，右端压电陶瓷2和左端压电陶瓷3两块压电陶瓷粘贴于定子端部凹槽部位。通过在定子的长度方向的不同位置设计不同的质量，从而构建定子质量的同向偏心，实现一阶纵振和三阶弯振的模态耦合。

该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，通过定子结构质量的同向偏心设计，能够使定子的一阶纵振和三阶弯振耦合在一起，避免了定子结构的模态简并设计。因此电机设计简洁合理。

该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机中，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的极化方向均为Z轴正方向，对左端压电陶瓷与右端压电陶瓷分别施加异向高频电场，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷发生扭转振动，在定子中激发出一阶纵振与三阶弯振耦合的振动模态振型。通过定子的三阶弯振和一阶纵振的耦合关系，使一阶纵振和三阶弯振同时发生，进而在右下驱动足、左下驱动足处产生斜直线运动轨迹，由右下驱动足、左下驱动足推动动子移动。

该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机中，同向偏心式定子为通过沿定子长度方向即x轴方向使定子的左右两部分的质心均同向偏移的定子。具体为，同向偏心式定子是以x轴方向的中心点为分界线，且分界线平行于z轴，分界线左右两部分金属弹性体8的等效质心沿z轴方向同时向上或同时向下偏离金属弹性体8高度方向上的中心线相同高度，其中的中心线平行于x轴，且位于金属弹性体8的z轴方向上的一半高度位置。

在一个实施方式中，该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，定子采用附加质量块方式来引起的质量同向偏心，如图1，该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，加大左下驱动足5的质量，左下驱动足5的质量大于右下驱动足4的质量，并在定子的金属弹性体8的底部右端设有右下质量块9；左下驱动足5的质量等于右下驱动足4和右下质量块9质量之和，左下驱动足5和右下驱动足4具有相同的高度，且它们的高度大于右下质量块9的高度，从而使得定子以长度方向的中心点为分界线的左右两部分的质心发生同向偏移。利用右端压电陶瓷2、左端压电陶瓷3的扭振在定子的三阶弯振方向进行激励，通过定子的三阶弯振和一阶纵振的耦合关系，使一阶纵振和三阶弯振同时发生，进而在右下驱动足4和左下驱动足5处产生斜直线运动轨迹，推动动子1移动。

在另一实施方式中，该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，定子采用在金属弹性体8的左右两部分的同侧表面挖去相同质量体形成同向偏心，如图2，金属弹性体8的左右两部分的上侧表面挖去相同质量体，使定子左右两部分的质心发生同向偏移。利用端部压电陶瓷的扭振在定子的三阶弯振方向进行激励，通过定子的三阶弯振和一阶纵振的耦合关系，使一阶纵振和三阶弯振同时发生，进而在右下驱动足4和左下驱动足5处产生斜直线运动轨迹，推动动子1移动。

该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，利用右端压电陶瓷2、左端压电陶瓷3的扭振在定子的三阶弯振方向进行激励，通过定子的三阶弯振和一阶纵振的耦合关系，使一阶纵振和三阶弯振同时发生，进而在左下驱动足5、右下驱动足4处产生斜直线运动，推动动子1移动。与目前流行的复合型直线超声波电机相比，该电机结构紧凑且设计更为简洁。

如图3，左端压电陶瓷3处于空间直角坐标系XYZ中，左端压电陶瓷3的极化方向为Z轴正方向，左端压电陶瓷3的施加电场方向为X轴正方向。在电场的作用下，左端压电陶瓷3发生扭转振动，以左端压电陶瓷3的右表面和金属弹性体8的左端面构成的接触面为位移参考面时，产生T方向的形变。

如图4，右端压电陶瓷2处于空间直角坐标系XYZ中，右端压电陶瓷2的极化方向为Z轴正方向，右端压电陶瓷2的施加电场方向为X轴负方向。在电场的作用下，右端压电陶瓷2发生扭转振动，以右端压电陶瓷2的左表面和金属弹性体8的右端面构成的接触面为位移参考面时，产生T方向的形变。

如图5，以由附加质量块导致的质量同向偏心的基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机为例，该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机前半周期波形产生机理：左端压电陶瓷3内部的电场方向为X轴负方向，右端压电陶瓷2内部的电场方向为X轴正方向，Z轴正方向极化的左端压电陶瓷3和右端压电陶瓷2均发生扭转振动，左端压电陶瓷3和右端压电陶瓷2在前半周期的扭转形变如图所示；由于定子的一阶纵振和三阶弯振具有耦合关系，因此左端压电陶瓷3和右端压电陶瓷2的扭振使定子在X方向和Z方向均发生振动，前半周期的定子形变如图5所示。

对于通过在金属弹性体8的左右两部分的同侧表面挖去相同质量体，形成的基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，其前半周期的陶瓷体扭转形变和定子形变同上。

结合附图5，该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，前半周期驱动足的运动机理如下：

第Ⅰ阶段：该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，由虚线所示的水平状态运动到实线所示的振幅最大状态，此过程中，右下驱动足4的顶部运动轨迹为右斜向下，其接近动子1，对动子1产生向右的驱动力。左下驱动足5的顶部运动轨迹为左斜向上，其远离动子1，对动子1产生向左的驱动力。

第Ⅱ阶段：该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，由实线所示的振幅最大状态回到虚线所示的水平状态，此过程中，右下驱动足4的顶部运动轨迹为左斜向上，其远离动子1，对动子1产生向左的驱动力。左下驱动足5的顶部运动轨迹为右斜向下，其接近动子1，对动子1产生向右的驱动力。

由于动子1的惯性以及右下驱动足4的形变，右下驱动足4接近动子1的运动阶段的接触时间与两者间的压力和摩檫力都要大于右下驱动足4远离动子1的运动阶段。右下驱动足4与动子1接触的时间和摩擦力在Ⅰ阶段均大于Ⅱ阶段，因此右下驱动足4在前半周期对动子1的总推力为向右方向；由于动子1的惯性以及左下驱动足5的形变，左下驱动足5与动子1接触的时间和摩擦力在Ⅰ阶段均小于Ⅱ阶段，因此左下驱动足5在前半周期对动子1的总推力为向右方向。

如图6，以由附加质量块导致的质量同向偏心的基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机为例，该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机后半周期波形产生机理：左端压电陶瓷3内部的电场方向为X轴正方向，右端压电陶瓷2内部的电场方向为X轴负方向，Z轴正方向极化的左端压电陶瓷3和右端压电陶瓷2均发生扭转振动，左端压电陶瓷3和右端压电陶瓷2在后半周期的扭转形变如图所示；由于定子的一阶纵振和三阶弯振具有耦合关系，因此左端压电陶瓷3和右端压电陶瓷2的扭振使定子在X方向和Z方向均发生振动，后半周期的定子形变如图6所示。

对于通过在金属弹性体8的左右两部分的同侧表面挖去相同质量体，形成的基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，其后半周期的陶瓷体扭转形变和定子形变同上。

结合附图6，该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，后半周期驱动足的运动机理如下：

第Ⅲ阶段：该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，由虚线所示的水平状态运动到实线所示的振幅最大状态，此过程中，右下驱动足4的顶部运动轨迹为左斜向上，其远离动子1，对动子1产生向左的驱动力。左下驱动足5的顶部运动轨迹为右斜向下，其接近动子1，对动子1产生向右的驱动力。

第Ⅳ阶段：该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，由实线所示的振幅最大状态回到虚线所示的水平状态，此过程中，右下驱动足4的顶部运动轨迹为右斜向下，其接近动子1，对动子1产生向右的驱动力。左下驱动足5的顶部运动轨迹为左斜向上，其远离动子1，对动子1产生向左的驱动力。

由于动子1的惯性以及右下驱动足4的形变，右下驱动足4与动子1接触的时间和摩擦力在Ⅲ阶段均小于Ⅳ阶段，因此右下驱动足4在后半周期对动子1的总驱动力为向右方向；由于动子1的惯性以及左下驱动足5的形变，左下驱动足5接近动子1的运动阶段的接触时间与两者间的压力和摩檫力都要大于左下驱动足5远离动子1的运动阶段，左下驱动足5与动子1接触的时间和摩擦力在Ⅲ阶段均大于Ⅳ阶段。因此左下驱动足5在后半周期对动子1的总驱动力为向右方向。

综合以上Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个运动阶段，动子1的运动方向为向右方向。

实施例的该种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，通过构建定子质量的同向偏心，形成一阶纵振和三阶弯振的耦合模态，不需要进行模态简并，同时利用定子系统的耦合特征，仅在弯振方向施加激励即可同时实现弯振振型和纵振振型的激发。该电机设计简洁、结构紧凑。

Claims (5)

1.一种基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，包括定子和动子，其特征在于：定子采用同向偏心式定子，定子包括金属弹性体、左端压电陶瓷、右端压电陶瓷、左下突出部、右下突出部、左下驱动足和右下驱动足，金属弹性体的两端底部分别设有左下突出部和右下突出部，左下突出部与金属弹性体形成左凹槽，左端压电陶瓷粘结在金属弹性体的左端，且左端压电陶瓷设于左凹槽内，右下突出部与金属弹性体形成右凹槽，右端压电陶瓷粘结在金属弹性体的右端，且右端压电陶瓷设于右凹槽内，左下驱动足设于左下突出部的下表面最左端，右下驱动足设于金属弹性体的底部，且右下驱动足设于定子三阶弯振右侧振幅最大位置，动子设于左下驱动足和右下驱动足的共同下方；同向偏心式定子是以x轴方向的中心点为分界线，且分界线平行于z轴，分界线左右两部分金属弹性体的等效质心沿z轴方向同时向上或同时向下偏离金属弹性体高度方向上的中心线相同高度，其中的中心线平行于x轴，且位于金属弹性体的z轴方向上的一半高度位置。

2.如权利要求1所述的基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，其特征在于：左下驱动足的质量大于右下驱动足的质量，并在定子的金属弹性体的底部右端设有右下质量块；左下驱动足的质量等于右下驱动足和右下质量块质量之和，左下驱动足和右下驱动足具有相同的高度，且它们的高度大于右下质量块的高度，从而使得定子以长度方向的中心点为分界线的左右两部分的质心发生同向偏移。

3.如权利要求1所述的基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，其特征在于：在金属弹性体的以长度方向的中心点为分界线的左右两部分的上表面分别对称挖去相同质量体，对称挖去的两块质量体采用相邻设置或不相邻设置，从而使得定子以长度方向的中心点为分界线的左右两部分的质心发生同向偏移。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，其特征在于：左端压电陶瓷和右端压电陶瓷的极化方向均为Z轴正方向，对左端压电陶瓷与右端压电陶瓷分别施加异向高频电场，左端压电陶瓷和右端压电陶瓷发生扭转振动，在定子中激发出一阶纵振与三阶弯振耦合的振动模态振型。

5.如权利要求4所述的基于同向偏心式定子的纵弯耦合型直线超声波电机，其特征在于：通过定子的三阶弯振和一阶纵振的耦合关系，使一阶纵振和三阶弯振同时发生，进而在右下驱动足、左下驱动足处产生斜直线运动轨迹，由右下驱动足、左下驱动足推动动子移动。

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