CN101071996B

CN101071996B - 圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及电激励方法

Info

Publication number: CN101071996B
Application number: CN200710020963A
Authority: CN
Inventors: 赵淳生; 周凤拯; 金家楣; 周培
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: JIANGSU FENGKE UTRASONIC MOTORS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2027-04-05
Also published as: CN101071996A

Abstract

一种圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及其电激励方法，属超声电机。它由定子组件、动子组件以及支架组件构成。定子组件包括阶梯圆柱体、八片压电陶瓷、压块、支撑和两个驱动轮组成，压电陶瓷表面镀有沿圆周方向均匀分布的电极；动子组件包括滑块和滑条；滑条和定子的两个驱动足相接触，滑块固定在支架上，动子组件被夹持在支架和定子组件中间；支架组件上的弹簧、螺母通过支撑作用提供定子和动子间所需要的预压力。驱动信号经过不同的扇形电极作用在压电陶瓷上，在逆压电效应作用下压电陶瓷振动激发定子的某个固有振动从而实现动子滑块的往复直线运动；该超声电机的可实现动子的双向直线运动、输出力大、速度较高、效率较高。

Description

圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及电激励方法

一、技术领域：

圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及电激励方法，属超声电机领域。

二、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。目前，直线超声电机基本可以分为薄板结构和梁或者圆柱结构的两种形式，其中薄板结构的直线电机是以板的纵向振动和弯振两相模态相结合来实现电机的动子的往复运动，薄板结构的直线超声电机多采用压电陶瓷的d₃₁效应这导致电机输出力小以及效率较低，另外薄板结构电机的定子没有一种较好固定方式；梁或者圆柱结构的直线电机多采用压电陶瓷的d₃₃效应来激发定子的纵向振动来实现电机动子的往复运动，梁或者圆柱结构的直线电机多采用单足驱动，单足驱动的直线超声电机其定子有效工作周期由定子振动周期的一半，因此电机的效率较低。

三、发明内容：

本发明的目的在于研制一种结构简单、输出力大、效率高、响应速度快、应用范围更广的直线超声电机。

一种圆柱结构双轮足驱动直线超声电机，包括定子组件、动子组件及支架组件，其特征在于：所述定子组件构成是，两端带有螺纹的连杆，该连杆中间带有左右对称的两个阶梯圆柱体和左右两个阶梯圆柱体之间带有左右对称的两个驱动轮构成为左右对称的整体结构，左右两个阶梯圆柱体另一侧的左右两段连杆上均对称地套装相同的压块、两组压电陶瓷和支撑，其中一组压电陶瓷被夹持在压块与支撑之间，另一组压电陶瓷被夹持在阶梯圆柱体与支撑之间，分别通过连杆两端的螺母沿轴向将压块、两组压电陶瓷和支撑固紧在左右两段的连杆上，每组压电陶瓷是由两片相同的压电陶瓷组成，每片压电陶瓷表面镀有沿圆周方向均匀分布的扇形电极；所述动子组件包括滑块和滑条。其中滑条置于滑块中间的V型槽内，滑条下端部与定子组件中的左驱动轮和右驱动轮相接触；所述支架组件包括支架、左、右弹簧，其中支架固定在动子组件的滑块上，并通过支架下端左、右两侧两个对称的台阶上的安装通孔分别套装在定子组件的左支撑和右支撑上，左、右两个弹簧分别套装在定子组件中的左支撑和右支撑的上端，并分别通过装在左支撑上端的左支撑螺母和装在右支撑上端部的右支撑螺母调节左、右弹簧弹力，提供定子组件的预压力。

定子组件共用四组八片完全相同压电陶瓷，电机中采用电极分区数4的压电陶瓷；每组陶瓷中都使用完全相同的压电陶瓷；每组压电陶瓷中的两片压电陶瓷环相向而放，并且要求两片压电陶瓷片环中的极化分区中心线相重合；另外要求保证不同组之间的陶瓷环的极化分区线保持平行。

定子组件上靠近左侧的两组压电陶瓷经由扇形电极输入一相驱动电信号产生超声振动，激发定子组件右侧两组压电陶瓷产生沿定子轴向的弯曲振动；位于定子组件右侧的两组压电陶瓷经由扇形电极输入另一相驱动电信号产生超声振动，，激发定子组件右侧两组压电陶瓷同样产生沿定子轴向的弯曲振动；两相驻波相叠加形成沿轴向的行波，两驱动轮处于弯曲振动波峰和波谷处，同时同入两相驱动电信号时产生沿轴向的弯曲振动相互叠加，使得两驱动轮圆周上任一点都是在做刚体的旋转运动，驱动轮旋转运动经与滑条接触点附近的摩擦力共同作用于滑条，实现滑条沿滑块V型槽的双向直线运动。

本发明的圆柱结构双轮足驱动直线超声电机采用压电陶瓷的d₃₃效应来增加电机的输出力，结构上的双轮设计可以保证电机的有效工作周期为定子振动的全周期；因此圆柱结构双轮足驱动直线超声电机的电机输出特性优于以往的直线性超声电机。

四、附图说明：

图1是圆柱结构双轮足驱动超声电机定子组件结构示意图。

图2是圆柱结构双轮足驱动超声电机定、转子组建结构示意图。

图3是圆柱结构双轮足驱动超声电机结构示意图。

图4是定子组件中四组八片压电陶瓷环的极化示意图。

图5是激励定子产生两相正交的模态推动动子沿垂直于纸面向内直线运动时施加在压电陶瓷上的驱动信号示意图；(a)是左侧两组压电陶瓷驱动示意图，(b)是右侧两组压电陶瓷驱动示意图。

图6是动子沿纸面垂直向内直线运动时定子上两驱动轮在一个运动周期内的位置示意图，滑条相右等同于代表动子沿纸面垂直向内直线运动。

图7是激励定子产生两相正交的模态推动动子沿垂直于纸面相外直线运动时施加在压电陶瓷上的驱动信号示意图；(a)是左侧两组压电陶瓷驱动示意图，(b)是右侧两组压电陶瓷驱动示意图。

图8是动子沿纸面垂直外直线运动时定子上两驱动轮在一个运动周期内的位置示意图，滑条相左等同于代表动子沿纸面垂直向外直线运动。

图1、图2、图3中的标号及符号名称：1阶梯圆柱体，2第一组压电陶瓷(左侧)，3左支撑，4第二组压电组陶瓷(左侧)，5第三组压电陶瓷(右侧)，6，右支撑，7第四组压电陶瓷(右侧)，8滑块，9滑条，10-17压电陶瓷环，18左压块，19右压块，20左螺母，21右螺母，22支架，23右弹簧，24右支架螺母，25左弹簧，26左支架螺母，27螺钉，A左驱动轮，B右驱动轮。

图4中标号28是陶瓷环的扇形电极。

图5(a)标号31、32、33、34是滑条垂直纸面向内运动定子左侧两组陶瓷的电信号输入端；图5(b)标号35、36、37、38是垂直纸面向内运动定子右侧两组陶瓷的电信号输入端。

图6中标号A是定子组件上左驱动轮，B是定子组件上右驱动轮，9是动子组件上的滑条。

图7(a)中标号39、40、41、42是滑条垂直纸面向外运动定子左侧两组陶瓷的电信号输入端；图(b)中标号43、44、45、46是垂直纸面向外运动定子右侧两组陶瓷的电信号输入端。

图8中标号A是定子组件上左驱动轮，B是定子组件上右驱动轮，9是动子组件上的滑条。

五、具体实施方式：

如图1、图2和图3所示，本发明的圆柱结构双轮足驱动直线超声电机，主要是由定子组件、动子组件以及支架组成。定子组件是一个完全对称的结构，定子组件由四组完全相同的压电陶瓷2、4、5、7和两个支撑3、6，两个压块18、19以及两个螺母20、21和一个阶梯圆柱体1组成；在定子组件的左侧，第一组压电陶瓷4被夹持在阶梯圆柱体1和支撑3之间，第二组压电陶瓷2被夹持在支撑3和压块18之间，螺母20将两组压电陶瓷2、4支撑3和压块18沿轴向固定；每组压电陶瓷由两片相同压电陶瓷环被夹持组成，每片压电陶瓷片表面镀有沿圆周方向均匀分布的如图4所示的扇形电极28；动子组件由滑块8和滑条9组成，其中滑块8固定于支架22上，滑条9和滑块中的V型槽相配合，动子组件被支架和定子组件夹持于中间；所述支架组件也是对称结构，螺钉27将支架22和动子中的滑块固定于一起；在支架组件的左侧，定子组件由支撑3连接支架22，弹簧25套于支撑3上，通过调节螺母26于支撑3的相位置来改变弹簧变形量，以提供电机工作时所需要的预压力。

图6所示，将动子组件的中滑条9简化为一个矩形，将定子组件简化为一个圆；便于观察电机动子滑块的运动。

定子上左侧的两组压电陶瓷经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发出定子产生沿轴向的某一四阶模态；定子上右侧的两组压电陶瓷经扇形电极输入驱动电信号产生超声振动，激发出定子产生沿轴向的另一四阶的弯曲模态；定子两侧四组陶瓷片都通入相应的驱动电信号，产生的两相正交的弯曲模态相互叠加，叠加的结果是定子上两驱动轮分别处于波峰和波谷处，并且驱动轮圆周上的任何一点都是做垂直于定子轴线的截面里的圆周运动，定子上的两驱动轮交替的作用动子滑条，驱动轮的圆周运动经由驱动轮个滑条的接触区域的摩擦力作用驱动滑条做直线运动。

结构设计原则：

1、由定子左侧的两组压电陶瓷的逆压电效应激发出的定子的四阶弯振模态频率与由定子左侧的两组压电陶瓷环下定子环的四阶弯振模态频率一致，以简化驱动电路；

2、压电陶瓷电极分区应为4，以确保可以激发出上定子四阶弯振振动模态；

3、两驱动轮表面保持一定的粗慥度以增加接触面积，增加摩擦力改善动子的输出力。

4、通过电机的支架的设计使电机在运行时，两驱动轮所受的预压力一致，以保证电机运行的稳定性和一致性。

电机双向直线运动的分析

电机动子滑条的垂直于纸面向里的内的直线运动等同于图6简化图中的滑条向右运动，同理直于纸面向外的直线运动等同于图8简化图中的滑条向左运动。

动子滑条沿纸面垂直向内运动由定子的两个正交的四阶两个弯曲模态叠加，体现在两驱动轮圆周上任一点都作圆周运动，两驱动轮的交替作用使得滑条作连续的直线运动。

在图5中，当按下述方式供给驱动信号时，定子上同时激发B₀₄和B₄₀两个弯曲模态，可推动滑条沿纸面垂直向里运动。

31.E＝Vcos(ωt)；32.E＝Vsin(ωt)；33.E＝-Vsin(ωt)；34.E＝-Vcos(ωt)

35.E＝-Vcos(ωt)；36.E＝-Vsin(ωt)；37.E＝Vsin(ωt)；38.E＝Vcos(ωt)

其中：V为电压值；ω为定子B₀₄和B₄₀弯振模态频率；t为时间(下同)。

图6是电机从启动到运行一个周期的内的定子和动子滑条的相对位置图，图6(I)是电机不工作是的状态，图6(II)是当施加图(5)所规定电信号时，定子的子B₀₄和B₄₀弯曲模态被激发，由于电信号相位差的原因使得这一时候定子的对滑条的作用如图6(II)，随着输入电信号的变化定子和滑块的相对位置不停的发生变化，他们的相对位置分别经历图6.(III)、图6.(IV)、图6.(V)所示的状态，完成一个周期运动，体现在滑条将向垂直于纸面向内运行一个位移。

同理，在图7中按下述方式通入驱动信号时，激发出定子的两相正交的弯曲模态驱动动子滑条向反方向运行。

39.E＝-Vcos(ωt)；40.E＝-Vsin(ωt)；41.E＝Vsin(ωt)；42.E＝Vcos(ωt)

43.E＝Vcos(ωt)；44.E＝Vsin(ωt)；45.E＝-Vsin(ωt)；46.E＝-Vcos(ωt)

此时电机滑条和定子的之间的相对运行原理同于上，在同入上述电信号后，电机定子和动子滑条将经历图8.(I)、图8.(I)、图8.(III)、图8.(IV)、图8.(V)完成一个周期的运动，体现在滑条将向垂直于纸面向外运行一个位移。

Claims

1.一种圆柱结构双轮足驱动直线超声电机，包括定子组件、动子组件及支架组件，其特征在于；所述定子组件构成是，两端带有螺纹的连杆，该连杆中间段带有左右两个阶梯圆柱体，在左右两个阶梯圆柱体之间的连杆上有左右对称的两个驱动轮(A、B)，从而构成左右对称的整体结构，左右两个阶梯圆柱体另一侧的左右两端连杆上均对称地套装相同的压块，两组压电陶瓷和支撑，其中一组压电陶瓷被夹持在压块和支撑之间，另一组压电陶瓷被夹持在阶梯圆柱体和支撑之间，分别通过连杆两端的螺母沿轴向将压块、两组压电陶瓷和支撑固紧在左右两端连杆上，每组压电陶瓷有两片相同的压电陶瓷组成，每片压电陶瓷表面镀有四部分沿圆周方向均匀分布的扇形电极；所述动子组件包括滑块(8)和滑条(9)，其中滑条(9)置于滑块(8)中间的V型槽内，滑条(9)下端部与定子组件中的左驱动轮(A)和右驱动轮(B)相接触；所述支架组件包括支架(22)、左、右弹簧(25、23)，其中支架(22)固定在动子组件滑块(8)上，并通过支架左、右两侧两个对称的台阶上的安装通孔分别套装在定子组件的左支撑(3)和右支撑(6)上，左、右两个弹簧(25、23)分别套装在定子组件中的左支撑(3)和右支撑(6)的上端，并分别通过装在左支撑(3)上端的左支撑螺母(26)和装在右支撑(6)上端的右支撑螺母(24)调节左、右弹簧(25、23)弹力，提供定子组件的预压力。

2.如权利要求1所述的圆柱结构双轮足驱动直线超声电机，其特征在于：每组压电陶瓷中都使用完全相同的压电陶瓷环，压电陶瓷环电极分区数为4；每组压电陶瓷中的两片压电陶瓷相向而放，压电陶瓷环中的极化分区中心线重合；不同组之间的陶瓷环的极化分区线保持平行。

3.一种如权利要求1所述的圆柱结构双轮足驱动直线超声电机的电激励方法，其特征在于：定子组件左侧两组压电陶瓷(2、4)经过扇形电极(28)输入一相驱动电信号，激发圆柱形定子组件产生沿轴向的弯曲振动；定子组件右侧的两组压电陶瓷(5、7)经过扇形电极输入另一相驱动电信号产生超声振动，同样激发圆柱形定子组件产生沿轴向的弯曲振动，定子组件左侧的压电陶瓷(2、4)与定子右侧的压电陶瓷(5、7)都通入相应的驱动电信号，产生的两项正交的弯曲振动相互叠加，叠加的结果是定子上两驱动轮分别处于波峰和波谷处，并且驱动轮圆周上的任何一点都是作垂直于定子轴线的截面的圆周运动，定子上的两驱动轮交替的作用动子滑条(9)，驱动轮圆周运动经由驱动轮与滑条的接触区域的摩擦力作用驱动滑条作直线运动。