CN101694975B - 双向单模态斜轨v形直线超声电机及电激励方式 - Google Patents
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Abstract
一种双向单模态斜轨形直线超声电机及其电激励方式，属超声电机类。该电机由定子和一直线导轨组成。所述导轨由预压力压在定子驱动足上，导轨倾斜θ度角。所述的定子整体呈V形，包括两个相同的左右对称具有夹角的压电振子，每个压电振子依次包括后端盖、支撑板、压电陶瓷和电极片、前端盖，前端盖和后端盖通过压紧螺栓压紧固定，两个压电振子的前端盖上端部联为一体形成驱动足。定子设计有两个正交工作模态，分别为对称一反对称振动模态；当激发其中任意一个工作模态时，定子驱动足表面质点的运动轨迹相对于导轨是一条斜直线，且斜直线的倾斜方向随工作模态的改变而改变，从而推动导轨正反向运动。该超声电机推力大、驱动频带宽、工作可靠。
Description
技术领域：
本发明的双向单模态斜轨V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V形超声电机的文献检索发现，Kurosawa等在《Ieee transactionson ultrasonics，ferroelectrics，and frequency control》(1998年第45卷第5期第1188-1195页)发表的《Transducer for High Speed and Large Thrust Ultrasonic LinearMotor Using Two Sandwich-Type Vibrators》，该文对一种单驱动足V形大推力直线型超声电机的运动机理进行了详细分析，该电机利用两个正交的对称-反对称振动模态，使定子驱动足/导轨接触面上驱动足的质点上产生椭圆运动，推动动子直线运动。
经对现有斜轨形直线超声电机的文献检索发现，指田年生在《日本应用物理》(1982年第51卷第6期第713-720页)发表的《超音波驱动モ-タ-の试作□原理の理论おょび实验的检讨》，该文对一种振动片斜轨形直线超声电机的运动机理进行了详细分析，该电机的振动片顶端与导轨面接触，且相对于导轨面法线有一倾角θ，表现为导轨倾斜了θ度。通过单相电信号直接激励出电机定子的纵振，并间接通过振动片顶端与导轨面的周期接触力激励出振动片的弯振，从而在振动片/导轨接触面上振动片的质点上产生椭圆运动，推动导轨运动。其不足在于：该电机只能单向运动，不能反向。检索中又发现，Elliptec公司在公司网页http://www.elliptec.com对其公司产品X15G型Elliptec斜轨形电机的运动机理进行了详细描述，该电机的驱动足端部与导轨面接触，且相对于导轨面法线有一倾角θ，表现为导轨倾斜了θ度。通过单相直接激励出电机定子的一个工作模态，并间接通过定子的驱动足端部与导轨面的周期接触力激励出另一个正交工作模态，使其驱动足端部质点的运动轨迹为椭圆运动，推动导轨运动。由于X15G型Elliptec斜轨形电机可通过单相电信号直接激励出电机定子的两个不同频的工作模态，使其驱动足端部质点产生运动方向相反的椭圆运动轨迹，推动导轨实现正反向运动。其不足在于：该电机采用叠层压电陶瓷作为驱动元件，价格较贵；该电机只能提供最大0.5N的推动力，限制了其使用范围。
上述三个文献中提出的直线型超声电机都通过同时激发两个正交的振动模态，在定子和导轨接触面上定子的质点上产生椭圆运动，推动导轨运动。这存在以下的不足：
1.要同时激发两个正交的振动模态，要求两个正交的工作模态的具有相近的共振频率；
2.由于理论计算和实际加工的误差，加上电机工作时定转子的接触，温度和负载的变化，导致两个正交工作模态的共振频率有一定程度的差异；
3.在单一频率的交变信号激励下，由于两个正交工作模态的共振频率有一定程度的差异，导致两个正交工作模态不能同时被最大限度地激发出来，影响了电机的运行效率和性能，也使得电机可驱动的频域较窄。
解决此问题的办法之一是采用单一模态驱动的激励方法。采用单一模态驱动的激励方法具有以下优点：不存在复合模态超声电机的频率一致性问题；可驱动的频域较宽；电机的运行效率较高；工作时抗扰力强；可采用自振荡驱动电源，易于实现小型化和集成化。
经对现有单一模态驱动的超声电机的文献检索发现，钱孝华等在《微特电机》(2007年第8期第28-30页)发表的《双向驻波型直线超声波电动机》，该文提出了一种单一模态驱动的矩形板式直线型超声电机，该电机具有B3和B4两个工作模态(同时只能有一个模态参与工作)。当B3模态工作时，定子和导轨接触面上定子的质点上产生向右倾斜的斜直线运动，动子正向运动；当B4模态工作时，定子和导轨接触面上定子的质点上产生向左倾斜的斜直线运动，动子反向运动。其不足在于：定子的夹持位置没有放置在工作模态的节点、节线或节面 附近，这会导致定子的夹持对工作模态的影响并使能量损失增大；电机工作时仅有一半压电片在工作，这不利于提高电机的机械输出性能；同时为了兼顾正反向运动，其驱动足的位置不在振幅最大处，振动能利用率不高。
发明内容：
本发明针对现有技术的不足，提出一种可实现正反向运动、电机工作时全部压电片参与工作、结构简单、大力矩、推重比大、激振效率高、振动能利用率高、响应速度快的双向单模态斜轨V形直线超声电机及电激励方式。
目的在于研制一种单模态驱动、定子驱动足表面质点相对于动子的运动轨迹为斜直线的直线型超声电机。
本发明的双向单模态斜轨V形直线超声电机，由定子和动子构成，其中动子为一直线导轨，其特征在于：所述导轨在预压力的作用下压在定子驱动足上，且导轨与定子中心线的夹角为90+θ度，其中θ大于0；所述的定子包括两个相同的压电振子，每个压电振子依次包括后端盖、支撑板、压电陶瓷和电极片、前端盖，其中压电陶瓷置于前端盖和后端盖之间，电极片置于每两片压电陶瓷之间，前端盖和后端盖通过压紧螺栓压紧固定，两个压电振子的前端盖上端部联为一体形成驱动足；上述两个压电振子左右对称具有夹角，整体呈V形。上述导轨倾斜角θ大小的原则是：模态振幅沿定子和导轨接触界面的法向分量要大于定子和导轨接触界面的粗糙度Ra；即设定子的对称振动模态的振幅为U，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Uf＝Ucosθ；设定子的反对称振动模态的振幅为V，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Vf＝Vsinθ；要使定子有效地驱动导轨，必须满足以下条件：Ucosθ＞Ra，Vsinθ＞Ra，所以导轨倾斜角θ的选择范围：arcsin(Ra/V)＜θ＜arccos(Ra/U)。
上述支撑板与后端盖可以为整体结构。这样的结构在减少零件数目的同时也减少了零件之间的接触分界面，减少了振动能在传播过程中的损失。
上述定子的支撑板可以置于振动节面上，压电陶瓷置于支撑板的前端，且位于支撑板和前端盖之间。这样的布置可以使振动能量最大限度地向驱动足辐射。
上述的双向单模态斜轨V形直线超声电机的电激励方式，其特征在于：设沿斜导轨向左上为正方向，沿斜导轨向右下为负方向；电机有两个正交工作模态，分别为对称振动模态和反对称振动模态，但是同时只能有一个模态参与工作。当工作模态第一激励信号和第二激励信号均为E1＝Vsin(ωt)时，将激发定子的对称振动模态，使得驱动足端面质点运动轨迹为垂直方向的往复直线运动，且与导轨的夹角为90-θ度，推动导轨沿正向运动；当工作模态第一激励信号为E1＝Vsin(ωt)，而工作模态第二激励信号为E2＝-Vsin(ωt)时，将激发定子的反对称振动模态，使得驱动足端面质点运动轨迹为水平方向的往复直线运动，且与导轨的夹角为180-θ度，推动导轨沿反向运动。
和背景技术相比，本发明的双向单模态斜轨V形直线超声电机的创新之处在于：
1.与Kurosawa等在《Transducer for High Speed and Large Thrust Ultrasonic LinearMotor Using Two Sandwich-Type Vibrators》一文提出的单驱动足V形大推力直线型超声电机相比，Kurosawa等提出的单驱动足V形大推力直线型超声电机利用两个正交同频的对称-反对称振动模态，使定子驱动足/导轨接触面上驱动足的质点上产生椭圆运动，推动动子直线运动。双向单模态斜轨V形直线超声电机该电机利用两个不同频的单模态进行工作，定子驱动足/导轨接触面上驱动足的质点上产生相对于导轨的往复的斜直线运动，推动动子直线运动。
2.与指田年生在《超音波驱动モ-タ-の试作□原理の理论おょび实验的检讨》一文提出的振动片斜轨形直线超声电机相比，指田年生提出的振动片斜轨形直线超声电机只能推动动子正向运动，不能反向运动。双向单模态斜轨V形直线超声电机可以推动动子实现正反向运动。
3.与Elliptec公司的X15G型Elliptec斜轨形电机相比，X15G型Elliptec斜轨形电机驱动时，通过使定子驱动足/导轨接触面上驱动足的质点上产生椭圆运动，推动动子直线运动；该电机采用价格较贵叠层压电陶瓷作为驱动元件，且只能提供最大0.5N的推动力。双向单模态斜轨V形直线超声电机驱动时，通过使定子驱动足/导轨接触面上驱动足的质点上产生相对于导轨的往复的斜直线运动，推动动子直线运动；该电机采用价格便宜的普通压电陶瓷作为驱动元件，且能提供10N的推动力。
4.与钱孝华等在《双向驻波型直线超声波电动机》提出的单一模态驱动的矩形板式直线型超声电机相比，单一模态驱动的矩形板式直线型超声电机的定子的夹 持位置没有放置在工作模态的节点、节线或节面附近，这会导致定子的夹持对工作模态的影响并使能量损失增大；电机工作时仅有一半压电片在工作，这不利于提高电机的机械输出性能；同时为了兼顾正反向运动，其驱动足的位置不在振幅最大处，振动能利用率不高。双向单模态斜轨V形直线超声电机夹持位置放置在工作模态节线附近，这对工作模态的影响小并使能量损失减小；电机工作时全部压电片参与工作，有利于提高电机的机械输出性能；同时其驱动足的位置在工作模态振幅最大处，振动能利用率高。
5.本发明的双向单模态斜轨V形直线超声电机，其最大的创新点在于：定子设计有两个正交工作模态，通过使导轨倾斜θ度角，使得定子以两个正交模态中的任意一个模态工作时，定子驱动足表面质点的运动轨迹相对于导轨是一条斜直线，并且斜直线的倾斜方向随工作模态的改变而改变，从而推动导轨正反向运动。
附图说明：
图1.双向单模态斜轨形直线超声电机结构示意图。
图2.双向单模态斜轨形直线超声电机定子工作模态示意图。
图3.双向单模态斜轨形直线超声电机压电陶瓷的极化布置及电激励方式示意图。
图4.图5.双向单模态斜轨形直线超声电机工作原理示意图。
图中标号名称：1后端盖；2压紧螺栓；3支撑板；4压电陶瓷；5电极片；6前端盖；7驱动足；8导轨；9导轨倾斜角θ度；10压电振子运动方向；11定子驱动足运动方向；12定子对称振动模态振型；13定子反对称振动模态振型；14压电陶瓷极化方向；15接地；16工作模态第一激励信号；17工作模态第二激励信号；16、17同相，激发定子的对称振动模态；16、17反相，激发定子的反对称振动模态；18、定子工作在对称振动模态下驱动足端面质点运动轨迹；19定子工作在对称振动模态下驱动足端面质点运动轨迹与导轨夹角(90-θ)度；20定子工作在对称振动模态下导轨运动方向；21定子工作在反对称振动模态下驱动足端面质点运动轨迹；22定子工作在反对称振动模态下驱动足端面质点运动轨迹与导轨夹角(180-θ)度；23定子工作在反对称振动模态下导轨运动方向。
具体实施方式：
一种双向单模态斜轨形直线超声电机如图1所示，由定子和动子构成，其中动子为一直线导轨8。其特点是：在预压力的作用下，导轨8压在定子上，导轨与定子的夹角不是一般的直线超声电机的90度，而是(90+θ)度，表现为导轨倾斜了θ度(9)。定子由两个相同的左右对称的螺栓紧固型压电振子联结而成，定子的两个压电振子有一定夹角，构成V形定子；每个压电振子包括后端盖1、压紧螺栓2、支撑板3、压电陶瓷4、电极片5、前端盖6、驱动足7，其中压电陶瓷4置于前端盖6和后端盖1之间，通过压紧螺栓2压紧固定；电极片5置于每两片压电陶瓷4之间。定子的单驱动足7位于前端盖6的上端部；定子的支撑板3位于后端盖1与压电陶瓷4交界处，支撑板3与后端盖1做成一体，用于安装定子及预压力装置，从而将定子与导轨8连成一体，构成双向单模态斜轨V形直线超声电机。
一种双向单模态斜轨形直线超声电机定子的两个工作模态如图2所示。图2(a)所示的工作模态的特点：定子左右的压电振子分别做同相的纵向伸缩运动10，其振动节面位于支撑板3上，并在驱动足7上合成为上下运动11；其中，左右压电振子同时做纵向伸长运动时，驱动足7向上运动；左右压电振子同时做纵向收缩运动时，驱动足7向下运动；具有此种振型的模态为对称振动模态12。图2(b)所示的工作模态的特点：定子左右的压电振子分别做反相的纵向伸缩运动10，其振动节面位于支撑板3上，并在驱动足7上合成为左右运动11；其中，左压电振子做纵向伸长运动且右压电振子做纵向收缩运动时，驱动足7向右运动；右压电振子做纵向伸长运动且左压电振子做纵向收缩运动时，驱动足7向左运动；具有此种振型的模态为反对称振动模态13。
电机定子压电陶瓷的极化布置及电激励方式如图3所示。定子有四组共八片压电陶瓷，位于后端盖1与前端盖6之间及支撑板3的上部，每组包含一对极化方向相反的压电陶瓷。箭头方向14为压电陶瓷的极化方向，压电陶瓷沿厚度方向极化，利用逆压电d33效应激发定子的振动。每组压电陶瓷的中间安放电极片，用于外接工作模态第一激励信号16和第二激励信号17；每组压电陶瓷的两侧安放电极片，用于外接信号地15。当工作模态第一激励信号16和第二激励信号17都为E1＝Vsin(ωt)，将激发定子的对称振动模态12；当工作模态第一激励信号16为E1＝Vsin(ωt)，工作模态第二激励信号17为E2＝-Vsin(ωt)，将激发定子的反对称振动模态13
双向单模态斜轨形直线超声电机的工作原理如图4和图5所示。当定子工作于对称振动模态12时，驱动足端面质点运动轨迹18为竖直方向往复的直线运动，由于导轨倾斜θ度角，使得驱动足端面质点运动轨迹18与导轨的夹角19为(90-θ)度，推动导轨沿左上方向20正向运动；当定子工作于反对称振动模态13时，驱动足端面质点运动轨迹21为水平方向往复的直线运动，由于导轨倾斜θ度角，使得驱动足端面质点运动轨迹21与导轨的夹角22为(180-θ)度，推动导轨沿右下方向23反向运动。
结构设计原则：
1.导轨倾斜角θ(9)的大小要合适。导轨倾斜角θ(9)的大小直接影响电机的可运行性。选择导轨倾斜角θ(9)大小的原则是：模态振幅沿定子和导轨接触界面的法向分量要大于定子和导轨接触界面的粗糙度Ra。
设定子的对称振动模态的振幅为U，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Uf＝Ucosθ；
设定子的反对称振动模态的振幅为V，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Vf＝Vsinθ；
要使定子有效地驱动导轨，必须满足以下条件：
Ucosθ＞Ra，Vsinθ＞Ra
所以，导轨倾斜角θ(9)的选择范围：arcsin(Ra/V)＜θ＜arccos(Ra/U)。
2.定子的对称-反对称振动模态具有两个共同的左右对称的节面，左右各一个节面，位于定子的两个相同的左右对称的螺栓紧固型压电振子上，定子左右各一个支撑板3位于此节面附近，以减小支撑对工作模态的干扰。
3.定子的支撑板3与后端盖1做成一体，减少零件数目的同时也减少了零件之间的接触分界面，减少了振动能在传播过程中的损失。
4.压电陶瓷4位于定子的支撑板3与前端盖6之间，使压电陶瓷4置于振动节面的前部，这样的布置可以使振动能量最大限度地向驱动足7辐射。
Claims (4)
1.一种双向单模态斜轨V形直线超声电机，由定子和动子构成，其中动子为一直线导轨(8)，其特征在于：所述导轨(8)在预压力的作用下压在定子驱动足(7)上，且导轨倾斜角为θ(9)，则导轨与定子中心线的夹角为90+θ度；所述的定子包括两个相同的压电振子，每个压电振子依次包括后端盖(1)、支撑板(3)、压电陶瓷(4)和电极片(5)、前端盖(6)，其中压电陶瓷(4)置于前端盖(6)和后端盖(1)之间，电极片(5)置于每两片压电陶瓷(4)之间，前端盖(6)和后端盖(1)通过压紧螺栓(2)压紧固定，两个压电振子的前端盖上端部联为一体形成驱动足(7)；上述两个压电振子左右对称具有夹角，整体呈V形；
上述导轨倾斜角θ(9)大小的原则是：模态振幅沿定子和导轨接触界面的法向分量要大于定子和导轨接触界面的粗糙度Ra；即设定子的对称振动模态的振幅为U，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Uf＝Ucosθ；设定子的反对称振动模态的振幅为V，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Vf＝Vsinθ；要使定子有效地驱动导轨，必须满足以下条件：Ucosθ＞Ra，Vsinθ＞Ra所以，导轨倾斜角θ(9)的选择范围：arcsin(Ra/V)＜θ＜arccos(Ra/U)。
2.根据权利要求1所述的双向单模态斜轨V形直线超声电机，其特征在于：上述支撑板(3)与后端盖(1)为整体结构。
3.根据权利要求1所述的双向单模态斜轨V形直线超声电机，其特征在于：上述定子的支撑板(3)置于振动节面上，压电陶瓷(4)置于支撑板(3)的前端，且位于支撑板(3)和前端盖(6)之间。
4.根据权利要求1所述的双向单模态斜轨V形直线超声电机的电激励方式，其特征在于：
设沿斜导轨向左上为正方向，沿斜导轨向右下为负方向；
当工作模态第一激励信号(16)和第二激励信号(17)均为E1＝Vsin(ωt)时，将激发定子的对称振动模态，使得驱动足端面质点运动轨迹为垂直方向的往复直线运动，且与导轨的夹角(19)为90-θ度，推动导轨沿正向运动；
当工作模态第一激励信号(16)为E1＝Vsin(ωt)，而工作模态第二激励信号(17)为E2＝-Vsin(ωt)时，将激发定子的反对称振动模态，使得驱动足端面质点运动轨迹为水平方向的往复直线运动，且与导轨的夹角(22)为180-θ度，推动导轨沿反向运动。
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| CN101694975A (zh) | 2010-04-14 |
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Application publication date: 20100414 Assignee: Gui Xin Magnetoelectric Hi-tech Co., Ltd. Assignor: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Contract record no.: 2013320000627 Denomination of invention: Bidirectional single-mode inclined track V-shaped linear ultrasonic motor and electric excitation mode Granted publication date: 20120523 License type: Exclusive License Record date: 20130703 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
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Granted publication date: 20120523 Termination date: 20151016 |
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