CN101404467A - 基于连续变幅杆原理的k形直线超声电机 - Google Patents

Abstract

一种基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，属超声电机领域。它包括定子和动子，其中动子为一直线导轨，定子由两个兰杰文振子中心线互相交叉构成，每个兰杰文振子由前端(41)、后端(61)、压电陶瓷片(31)和对应的电极片(51)组成，两个兰杰文振子的头部联为一体，成为驱动足(42)；直线导轨与两个兰杰文振子在一个平面内布置成“K”字形结构；其特征在于：所述兰杰文振子的为杆结构，杆的截面为由后端(61)向前端(41)渐缩的连续截面状。本发明具有结构简单、输出力大、运行速度快、输出效率高的直线超声电机。

Description

基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机

技术领域

本发明的基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，属超声电机领域。

背景技术

超声电机是利用压电陶瓷逆压电效应和结构超声振动的新型动力输出装置。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，但其效率低，速度较小，输出力也小。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。专利号为200620126630.4的中国实用新型专利公开了一种K形(杆结构)直线超声电机，具有输出力、运行速度大等优点。包括动子和定子，其特征在于：动子为一直线导轨，定子由两个(杆结构的)兰杰文振子中心线互相垂直构成，直线导轨与两个兰杰文振子在一个平面内布置成“K”字形结构。所构成兰杰文振子的杆是由两个等截面的直杆组成，在这两个直杆的交接处形成突变的横截面。

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、输出效率高的直线超声电机。

一种基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，包括定子和动子，其中动子为一直线导轨，定子由两个兰杰文振子中心线互相交叉构成，每个兰杰文振子由前端、后端、压电陶瓷片和对应的电极片组成，两个兰杰文振子的头部联为一体，成为驱动足；直线导轨与两个兰杰文振子在一个平面内布置成“K”字形结构；其特征在于：所述兰杰文振子的为杆结构，杆的截面为由尾部向头部渐缩的连续截面状。连续变截面杆呈现由后向前渐缩状态。上述结构保证：(1)直杆和连续变截面杆在交接面处不存在突变截面(两侧的力阻抗相同)，对平面声波不会产生反射波；(2)连续变截面杆采用由后向前渐缩设计，使得它在每个截面两侧具有相同的力阻抗；(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。

力阻抗定义为截面上的总力与振动速度之比。

上述基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，其特征在于：所述驱动足与两个兰杰文振子连接处截面积远小于其周围杆的截面积，形成柔性铰链。这样可使得定子在驱动足处的弯矩减小，从而确保定子结构振动的对称模态和反对称模态的频率一致性。可通过在电机定子靠近驱动足处加工关于两个兰杰文振子的对称轴开3个对称的圆孔来实现。

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。

上述每个兰杰文振子在前端和后端之间均有一夹持件，每个兰杰文振子均包括2n片压电陶瓷片和n片电极片，分成n组，每两片压电陶瓷片和夹在其中的1片电极片构成一组，它们分别布置在上述夹持件的前后两侧。便于对压电陶瓷片施加电场。

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是基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机结构示意图。

图2是基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机定子工作模态示意图。其中图2(a)是定子的反对称振动模态(一)；图2(b)是定子的对称振动模态(二)。图2所示的两个振动模态中驱动足在空间相位上相差π/2。

图3是定子压电陶瓷片极化以及信号加载示意图。

图1中标号名称：11.后端；21.夹持件；31.压电陶瓷片；41.前端；42.驱动足；51电极片；61.螺栓；71.滑条。

图3中标号名称：1、2.外接激励信号；3.极化方向。

具体实施方式：

一种基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机如图1所示。其特点是：所述定子由两个兰杰文振子中心线互相垂直构成K字形，包括后端11、前端41、夹持件21、压电陶瓷片31、电极片51、螺栓61。压电陶瓷片共8片，分为四组，每两片压电陶瓷片构成一组，每组两片压电陶瓷片之间夹有电极片。每一组压电陶瓷片分别布置在夹持件的两侧。前端盖打有螺纹孔，螺栓旋入螺纹孔，从而将定子各部件连为一体。其前端盖其横截面由后向前为渐缩状态，与构成定子的其他部件一起构成超声变幅杆。前端盖头部打有三个曲面，用以放大电机定子头部的振幅。所述动子为滑条。其支撑件打有通孔，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连续变幅杆原理的K形直线超声电机。利用相位差π/2的同频正弦信号同时激励左右两个压电振子来分别激发定子的两个振动模态，这两个振动模态的叠加使得驱动足端面上各质点产生椭圆运动来推动动子连续直线运动，构成直线型超声电机。当激励信号相反时，即可实现动子的反方向直线运动。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，使电机实现输出力大，运行速度高，输出效率高。

一种基于连续变幅杆原理的K型直线超声电机定子的两个工作模态如图2所示。图2(a)的工作模态其特点：定子的左右两个压电振子分别做互为反向的纵向伸缩振动1，其振动节面位于夹持件处，在前端盖的驱动足处合成为左右振动2。图2(b)的工作模态其特点是，定子左右的压电振子分别做同相的纵向伸缩运动(箭头a)，其振动节面位于夹持件处并在前端盖的两个驱动足合成为上下运动(箭头b)。

结构设计原则：1.由压电陶瓷片的逆压电效应激发弹性体的两个振动模态，调节弹性体的结构尺寸应使这两个振动频率一致，并且空间相位差π/2。2.以相位差为π/2的两个同频率正弦信号分别激励左右两个压电振子，激发定子的两个振动模态，在驱动足端面各点形成椭圆诡计，驱动动子直线运动。

下面是一个基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机的例子：

利用压电陶瓷片的逆压电效应d₃₃激发出定子的两个振动模态。图1是该图的结构示意图，他主要由定子、动子组成。定子由两个兰杰文振子中心线互相垂直构成K字形，包括后端盖、前端盖、夹持件、压电陶瓷片、电极片、螺栓。压电陶瓷片共8片，分为四组，每两片压电陶瓷片构成一组，每组两片压电陶瓷片之间夹有电极片。每一组压电陶瓷片分别布置在夹持件的两侧。前端盖打有螺纹孔，螺栓旋入螺纹孔，从而将定子各部件连为一体。其前端盖其横截面由后向前为渐缩状态，与构成定子的其他部件一起构成超声变幅杆。前端盖头部打有三个孔，用以放大电机定子头部的振幅。整个电机定子质量为87g.

电机定子压电陶瓷片安放见图3。

定子有8片压电陶瓷片，共分为四组，分别位于夹持件的上下两侧，每组包含一对极化方向相反的压电陶瓷片。压电陶瓷片的箭头方向3表示极化方向。每组压电陶瓷片的中间安放电极片，用于外接激励信号(1、2)。提供正弦激励信号E＝Usinωt给左边的两组压电陶瓷片，同时提供余弦激励信号E＝Ucos(ωt)给右边的两组压电陶瓷片，同时激励定子的两个同频相位差π/2的振动模态，这两个模态合成定子前端盖的驱动足端面质点的椭圆运动。

Claims (5)

1、一种基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，包括定子和动子，其中动子为一直线导轨，定子由两个兰杰文振子中心线互相交叉构成，每个兰杰文振子由前端(41)、后端(61)、压电陶瓷片(31)和对应的电极片(51)组成，两个兰杰文振子的头部联为一体，成为驱动足(42)；直线导轨与两个兰杰文振子在一个平面内布置成“K”字形结构；其特征在于：所述兰杰文振子的为杆结构，杆的截面为由后端(61)向前端(41)渐缩的连续截面状。

2、根据权利要求1所述的基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，其特征在于：所述兰杰文振子(除压电陶瓷片外)在其任意截面的两侧有相同力阻抗。

3、根据权利要求1所述的基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，其特征在于：所述驱动足与两个兰杰文振子连接处截面积远小于其周围杆的截面积，形成柔性铰链。

4、根据权利要求3所述的基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机柔性铰链，其特征在于：所述驱动足与两个兰杰文振子连接处在外侧和内侧均开有圆孔。

5、根据权利要求1所述的基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，其特征在于：每个兰杰文振子在前端(41)和后端(61)之间均有一夹持件，每个兰杰文振子均包括2n片压电陶瓷片和n片电极片，分成n组，每两片压电陶瓷片和夹在其中的1片电极片构成一组，它们分别布置在上述夹持件的前后两侧，其中n取正整数。

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