CN101694974B - 塔形直线超声电机及电激励方式 - Google Patents
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Abstract
一种塔形直线超声电机及电激励方式，属超声电机类。该电机包括：定子、动子及压电陶瓷，所述定子是由带有一个驱动足、一个柔性放大圆孔和两个矩形柱的塔形金属体构成，塔形金属体的外表面对称地粘贴有六片压电陶瓷，用于激发定子x-z剖面弯曲振动模态和y-z剖面含局部弯振的对称振动模态；所述动子由预压力压在定子驱动足1上。用两路相位差为π/2的正弦信号同时激励定子的两个正交工作模态，使定子的驱动足端面上产生椭圆运动，经摩擦作用推动动子运动。该超声电机结构紧凑、驱动效率高、推重比大、工作可靠。
Description
技术领域：
本发明的塔形直线超声电机及电激励方式，属超声电机领域。
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。其中，直线运动超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有低速大力矩，瞬态相应快，定位精度高，控制特性好，不产生磁场也不受磁场影响等优点，在精密驱动，医疗器械，航空航天等领域有着广泛的应用前景。
经对现有近似塔形的超声电机的文献检索发现，赵淳生等发表的申请号为200710134000的中国发明专利申请公布说明书《二自由度超声电机》，该专利申请公布说明书提出了一种二自由度超声电机，该电机定子为具有正交对称结构的近似塔形的拱形振子和八块单向极化的压电陶瓷片组成，近似塔形的拱形振子含有四个矩形柱腿，八块压电陶瓷片分别粘贴在拱形振子的四个矩形柱腿的外侧面上。该电机利用正交的含局部弯振的对称-反对称模态进行工作，；当在拱形振子左右对称的矩形柱侧面上的四块压电陶瓷片上输入两相相位差为π/2的同频正弦驱动信号后，会在yoz平面内激发出对称-反对称模态，使拱形振子驱动头上的质点产生椭圆运动，驱动动子沿y向运动。同样，当在拱形振子前后对称的矩形柱侧面上的四块压电陶瓷片上输入两相相位差为π/2的同频正弦驱动信号后，会在xoz平面内激发出对称-反对称模态，使拱形振子驱动头上的质点产生椭圆运动，驱动动子沿x向运动。因此，该电机采用单个振子作为动子进行驱动，即可实现二个方向的正、反向运动，使其结构紧凑、易于小型化。
上述电机的不足之处在于：当该电机被用于驱动动子作单自由度的直线运动时，仅激发出yoz平面内的对称-反对称模态或yoz平面内的对称-反对称模态即可达到目的。因此，含有四个矩形柱近似塔形的拱形振子可以简化为含有两个矩形柱的塔形振子，使电机的结构更简单。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种能够实现单自由度的直线运动的塔形直线超声电机及电激励方式，具有体积更小、重量更轻、结构更简单、推重比大、响应速度快的特点。
一种塔形直线超声电机，包括定子、动子和压电陶瓷，其特征在于：上述定子整体为塔形金属体，由驱动足以及与驱动足相连的左矩形柱和右矩形柱构成，上述驱动足与左矩形柱及右矩形柱相连接处还具有柔性放大圆孔；上述压电陶瓷一共有六片、对应地粘贴在上述左矩形柱和的右矩形柱的前、后、外侧共六个外表面，用于激发定子x-z剖面二阶弯曲振动模态和y-z剖面对称振动模态；上述动子由预压力压在定子驱动足上。
上述塔形直线超声电机的电激励方式，其特征在于：定子的两个正交工作模态分别为y-z面内对称振动模态和x-z面内二阶弯曲振动模态；其中y-z面内对称振动模态由分别贴在左矩形柱外侧面和右矩形柱外侧面的共两块压电陶瓷片激发，当定子以y-z面内对称振动模态振动时，左矩形柱和右矩形柱产生局部弯振，并带动驱动足产生局部纵振；其中x-z面内二阶弯曲振动模态由分别贴在左矩形柱和右矩形柱前、后表面的共四块压电陶瓷片激发，当定子以x-z面内二阶弯曲振动模态振动时，驱动足产生水平振动；当上述两个正交工作模态具有相同或接近的共振频率时，通以π/2相位差的两路同频正弦信号，定子的两个正交工作模态将会被同时激发出来，使定子的驱动足端面产生椭圆运动，推动压在驱动足上的动子运动；该电机运动的正、反方向可由两相正弦信号的相位差确定：π/2相位差使电机动子正向运动、-π/2相位差使电机动子反向运动。
如果，上述左矩形柱和右矩形柱的前后面的厚度由塔形底部向塔形顶部逐步变小。则可以起到聚能和放大驱动足振幅的作用。
与作为背景技术的二自由度超声电机相比，本发明的塔形直线超声电机具有以下创新：
1.结构的创新：由二自由度超声电机的含有四个矩形柱近似塔形的拱形振子简化为塔形直线超声电机的含有两个矩形柱的塔形振子，使电机的结构更简单，更利于实现小型化；
2.工作模态的创新：由二自由度超声电机共面的对称-反对称复合工作模态变为塔形直线超声电机的含局部弯振的y-z面内对称振动模态和x-z面内二阶弯曲振动模态的复合工作模态。改变工作模态的原因：经有限元计算，塔形振子的共面的对称工作模态和反对称工作模态的模态频率差别较大，并且反对称工作模态的振幅较小。而采用含局部弯振的y-z面内对称振动模态和x-z面内二阶弯曲振动模态的复合工作模态可以解决上述问题。
本发明的塔形直线超声电机除具有超声电机的一般特点外，采用塔形振子含局部弯振的y-z面内对称振动模态和x-z面内二阶弯曲振动模态的共同作用，来获得驱动头端面的椭圆运动，可以获得较低的工作频率和较大的振幅，易于实现电机的小型化。
附图说明：
图1.为塔形直线超声电机定子结构示意图。其中图1-1为正视图，图1-2为俯视图。
图2为塔形直线超声电机结构示意图。其中，图2-1为x-z方向示意图，图2-2为y-z方向示意图。
图3.为塔形直线超声电机压电陶瓷极化布置示意图。
图4.为塔形直线超声电机工作原理示意图。
图中标号名称：1驱动足；2柔性放大圆孔；3左矩形柱；4右矩形柱；5、6、7、8、9、10压电陶瓷；11塔形金属体；12预压力；13动子；14、15、16x-z面内二阶弯曲振动节线；17x-z面内二阶弯曲振动模态；18y-z面内含局部弯振的对称振动模态；19、20、21、22y-z面内含局部弯振的对称振动节线；23定子支撑位置；24压电陶瓷极化方向；25A相信号；26B相信号；27、28定子驱动足端面质点运动轨迹；29、30动子运动方向。
具体实施方式：
一种直线运动超声电机如图2所示，其定子由图1所示。其特点：定子是由带有一个驱动足1、一个柔性放大圆孔2和两个矩形柱3、4的塔形金属体11构成，塔形金属体11的外表面对称地粘贴有六片压电陶瓷5、6、7、8、9、10，用于激发塔形金属体11的振动。如图3所示，其中，压电陶瓷6、7、9、10用 于激发塔形定子在x-z剖面的二阶弯曲振动模态17；压电陶瓷5、8用于激发塔形定子在y-z剖面含局部弯振的对称振动模态18。
在压电陶瓷6、7、9、10上施加A相信号(25)E1＝Vsin(ωt)，可激发如图2所示的定子的x-z剖面的二阶弯曲振动模态17；在压电陶瓷5、8上施加B相信号(26)E2＝Vsin(ωt+π/2)，可激发如图2所示的定子的y-z剖面含局部弯振的对称振动模态18。当两个信号E1和E2同时施加时，两个模态17、18的叠加可使驱动足1与动子13接触处产生如图4-1所示的椭圆运动27；驱动足1端面的椭圆运动经摩擦作用推动动子13沿图4-1所示的方向29运动。
同理，在压电陶瓷6、7、9、10上施加A相信号(25)E1＝Vsin(ωt)，可激发如图2所示的定子的x-z剖面的二阶弯曲振动模态17；在压电陶瓷5、8上施加B相信号(26)E2＝Vsin(ωt-π/2)，可激发如图2定子的y-z剖面含局部弯振的对称振动模态18。当两个信号E1和E2同时施加时，两个模态17、18的叠加可使驱动足1与动子13接触处产生如图4-2所示的椭圆运动28；驱动足1端面的椭圆运动经摩擦作用推动动子13沿图4-2所示的方向30运动。
结构设计原则：
1.柔性放大圆孔2的孔径大小要合适。柔性放大圆孔2的孔径大小直接影响定子的纵振振幅和强度。因此，柔性放大圆孔2的孔径大小要兼顾定子纵振振幅和强度的需要。
2.压电陶瓷6、7、9、10用于激发定子在x-z剖面的二阶弯曲振动模态17，由于弯振时，其波峰或波谷处应变最大，应尽量将压电陶瓷6、7、9、10分别粘贴于振动模态17的波谷和波峰附近，以提高激励效率；同理，压电陶瓷5、8用于激发定子在y-z剖面含局部弯振的对称振动模态18，应尽量将压电陶瓷5、8分别粘贴于振动模态18的局部弯振的波谷和波峰附近，以提高激励效率。
3.定子的x-z剖面二阶弯曲振动模态17具有3条节线(14、15、16)，y-z剖面含局部弯振的对称振动模态18具有4条节线(19、20、21、22)。使节线16、19、22具有相同的z坐标，并将定子支撑放在此z坐标处，以减小支撑对工作模态的干扰。
4.上述左矩形柱3和右矩形柱4的前后面的厚度由塔形底部向塔形顶部逐步变小，这样的变截面结构具有将振动能量聚集于塔形顶部的驱动足的作用，使驱动足的振幅变大。
Claims (3)
1.一种塔形直线超声电机，包括定子、动子和压电陶瓷，其特征在于：
上述定子整体为塔形金属体(11)，由驱动足(1)以及与驱动足(1)相连的左矩形柱(3)和右矩形柱(4)构成，上述驱动足(1)与左矩形柱(3)及右矩形柱(4)相连接处还具有柔性放大圆孔(2)；
上述压电陶瓷一共有六片(5、6、7、8、9、10)、对应地粘贴在上述左矩形柱(3)和右矩形柱(4)的前、后、外侧共六个外表面，用于激发定子x-z剖面二阶弯曲振动模态和y-z剖面对称振动模态；
上述动子(13)由预压力(12)压在定子驱动足(1)上。
2.根据权利要求1所述塔形直线超声电机，其特征在于：上述驱动足的前后面的厚度由塔形底部向塔形顶部逐步变小。
3.根据权利要求1所述的塔形直线超声电机的电激励方式，其特征在于：
定子的两个正交工作模态分别为y-z面内对称振动模态和x-z面内二阶弯曲振动模态；
其中y-z面内对称振动模态由分别贴在左矩形柱(3)外侧面和右矩形柱(4)外侧面的共两块压电陶瓷片(5、8)激发，当定子以y-z面内对称振动模态振动时，左矩形柱(3)和右矩形柱(4)产生局部弯振，并带动驱动足(1)产生局部纵振；
其中x-z面内二阶弯曲振动模态由分别贴在左矩形柱(3)和右矩形柱(4)前、后表面的共四块压电陶瓷片(6、7、9、10)激发，当定子以x-z面内二阶弯曲振动模态振动时，驱动足(1)产生水平振动；
当上述两个正交工作模态具有相同或接近的共振频率时，通以π/2相位差的两路同频正弦信号，定子的两个正交工作模态将会被同时激发出来，使定子的驱动足端面产生椭圆运动，推动压在驱动足上的动子运动；
该电机运动的正、反方向可由两相正弦信号的相位差确定：π/2相位差使电机动子正向运动、-π/2相位差使电机动子反向运动。
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