CN101976969A

CN101976969A - 直线型纵弯超声电机及其电激励方式

Info

Publication number: CN101976969A
Application number: CN 201010510179
Authority: CN
Inventors: 陈超; 陈如娟
Original assignee: JIANGSU TRANSUSM CO Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: JIANGSU TRANSUSM CO Ltd; Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2011-02-16

Abstract

一种直线型纵弯超声电机及其电激励方式，属超声电机技术领域。它包括底座(7)和定子；其中定子由左向右依次由第一夹持件(12)、纵振压电陶瓷(3)、定子基体(2)、弯振压电陶瓷(4)、第二夹持件(13)组成；上述第一夹持件(12)固支于底座(7)左侧，第二夹持件(13)弹性支撑于底座(7)右侧；上述定子基体(2)整体为平板式，左前侧带有开口朝前的凹槽、左后侧带有开口朝后的凹槽；定子基体(2)上端面靠近右侧设有沿前后方向的驱动足；由定子由一阶面内纵振模态，二阶面外弯振模态叠加而成的类似行波进行驱动；该超声电机具有直线型超声电机的优点外，还具有结构简单、成本低、效率高、不涉及陶瓷片的胶粘问题、易于加工和装配等优点。

Description

直线型纵弯超声电机及其电激励方式

技术领域

本发明的直线型纵弯超声电机及其电激励方式，属超声电机技术领域。

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微电机。其中直线型纵弯超声电机属于直线型超声电机的一种。因为在尺寸较小时超声电机比传统电机具有更独特的优势，所以小型化是超声电机发展的趋势。然而，现有的V型直线型电机（公开号：CN101656489）利用定子的复合谐振振动，使定子驱动足产生椭圆振动，该设计且结构相对复杂不紧凑，加工、装配困难，安装固定方式影响运动稳定性，限制了这种电机的应用。

发明内容

本发明的目的就在于研制一种结构相对简单，紧凑，体积更小，更易于加工、装配和使用，运动稳定性好，应用范围更广的直线型纵弯超声电机。

一种直线型纵弯超声电机，其特征在于包括底座和定子；底座具有底座左支臂和底座右支臂；定子安装于底座左支臂和底座右支臂之间；其中定子由左向右依次由第一夹持件、纵振压电陶瓷、定子基体、弯振压电陶瓷、第二夹持件组成；上述第一夹持件固支于底座左侧，第二夹持件弹性支撑于底座右侧；上述定子基体整体为平板式，左前侧带有开口朝前的凹槽、左后侧带有开口朝后的凹槽；定子基体上端面靠近右侧设有沿前后方向的驱动足；该直线型纵弯超声电机还包括位于定子上方的纵向自由度被限制的导轨、以及沿纵向安装于导轨上的动子。

上述的直线型纵弯超声电机的电激励方式，其特征在于：定子由一阶面内纵振模态，二阶面外弯振模态叠加而成的类似行波进行驱动；其中一阶面内纵振模态由纵振压电陶瓷施加

Figure 2010105101797100002DEST_PATH_IMAGE001

的正弦信号激发，二阶面外弯振模态由弯振压电陶瓷（4）施加

Figure 2010105101797100002DEST_PATH_IMAGE002

的余弦信号激发，两相信号相位相差1/4个周期。

通过定子一阶面内纵振模态与二阶面外弯振模态的叠加，驱动足就会产生椭圆运动，推动与其接触的动子产生直线运动。

这种设计方法结构紧密，可方便调节定子与动子的预压力，直线推力大。

上述第二夹持件弹性支撑于底座右侧的方式，具体通过以下结构实现：预紧弹簧及预紧滑块安装于第二夹持件与底座右支臂之间，预紧弹簧通过预紧螺钉调节。这种设计方法装配难度低，预紧力可进行调节，方便调试。

附图说明

图1是直线型纵弯超声电机的主体结构示意图；

图2是直线型纵弯超声电机的外壳结构示意图；

图3是电机定子有限元模型；

图4是定子一阶面内纵振模态；

图5二阶面外弯振模态示意图；

图6为定子爆炸图；

图7为压电陶瓷极化方向图；

图8为压电陶瓷电激励及变形方式；

图中标号名称：1、外壳，2、定子，3、纵振压电陶瓷，4、弯振压电陶瓷组5、预紧弹簧，6、预紧滑块，7、底座，8、导轨，9、动子，10、预压螺钉，预紧螺钉，11、凹槽，12、第一夹持件，13、第二夹持件。

具体实施方式

本发明是基于利用压电陶瓷片的压电效应激出一端固支和一端弹性约束的弹性梁的一阶面内纵振模态及二阶面外弯振模态而研制成的新型超声电机。它主要由定子、动子、壳体等三部分组成。图1是本发明的具体结构示意图，由图可知，电机定子2左端通过螺钉固定在底座上（定子2与底座7竖直方向上之间存在间隙），纵振压电陶瓷3、4与定子2通过预紧螺钉10挤压预紧滑块6压紧弹簧5连接，使定子右端形成弹性支撑，这样电机安装更加方便、可靠，不会对因为安装位置而影响电机的工作模态。定子2上存在凹槽。凹槽尺寸和位置经有限元优化设计计算确定，以获得最大的定子端面振幅。导轨8置于外壳一个矩形槽11内，与动子9是滑动配合，预压螺钉对导轨8进行定位，压紧动子9保证与定子2的接触，同时提供定、转子之间的预压力。压电陶瓷与定子之间的预紧力由预紧滑块6、预紧弹簧5与预紧螺钉10提供。每片压电陶瓷片表面镀银，压电陶瓷3正向极化，极化后的压电陶瓷片受电场作用会产生伸缩变形。压电陶瓷4一面不分区，另一面二分区，其中一分区进行正向极化，另一分区反向极化。极化后的压电陶瓷片受电场作用会产生变形。极化方向与电场方向相同的分区产生伸长变形，极化方向与电场方向相反的分区产生压缩变形。于是，一片压电陶瓷片在交变电场作用下，就可使定子产生横向弯曲振动。附图3、图4、图5是电机定子部分的有限元模型。附图6、图7、图8是定子及压电陶瓷结构图。分成二组，一组称为A相，另一组极化方向相反称为B相。当A相通以（其频率等于定子二阶弯曲振动模态频率）交变电压时，定子将产生左右伸缩共振，如附图4的一阶面内纵振工作模态所示；当B相通以和A相同频、同幅的交变电压时，定子产生弯曲共振，如附图5的二阶面外弯振工作模态所示。如果将这两个电压同时分别加到A相和B相，上述一阶纵振与二阶弯曲振动模态将会同时被激发出，此时定子驱动端面的质点将具有相互垂直的两个位移分量，从而合成椭圆运动。正是这个椭圆运动，加上定、转子间的预压力，使定、转子间产生摩擦力，推动转子沿定子端面接触点运动方向相同的方向转动。

定子整体尺寸，即长、宽及高由两个指标确定，一个是电机的工作频率点，设定在超声频率范围内，通常为20KHz—100KHz；另一个指标为两相工作模态频率的一致性，通过调节结构尺寸使两相工作模态频率相差在100Hz以内，保证能同时激发出两个工作模态。定子上开槽的尺寸（纵向位置，开槽深度及宽度）由定子的谐振振幅确定，通过调节开槽的尺寸使定子的谐振振幅尽量大，以获得较好的驱动效果。

Claims

1.一种直线型纵弯超声电机，其特征在于：

包括底座（7）和定子；底座（7）具有底座左支臂和底座右支臂；定子安装于底座左支臂和底座右支臂之间；其中定子由左向右依次由第一夹持件（12）、纵振压电陶瓷（3）、定子基体（2）、弯振压电陶瓷（4）、第二夹持件（13）组成；上述第一夹持件（12）固支于底座（7）左侧，第二夹持件（13）弹性支撑于底座（7）右侧；上述定子基体（2）整体为平板式，左前侧带有开口朝前的凹槽、左后侧带有开口朝后的凹槽；定子基体（2）上端面靠近右侧设有沿前后方向的驱动足；

该直线型纵弯超声电机还包括位于定子上方的纵向自由度被限制的导轨（8）、以及沿纵向安装于导轨（8）上的动子（9）。

2.根据权利要求1直线型纵弯超声电机，其特征在于：上述第二夹持件（13）弹性支撑于底座（7）右侧的方式，具体通过以下结构实现：预紧弹簧（5）及预紧滑块（6）安装于第二夹持件（13）与底座右支臂之间，预紧弹簧（5）通过预紧螺钉（5）调节。

3.根据权利要求1所述的直线型纵弯超声电机的电激励方式，其特征在于：

定子由一阶面内纵振模态，二阶面外弯振模态叠加而成的类似行波进行驱动；

其中一阶面内纵振模态由纵振压电陶瓷（3）施加

Figure 2010105101797100001DEST_PATH_IMAGE002

Figure 2010105101797100001DEST_PATH_IMAGE004

的余弦信号激发，两相信号相位相差1/4个周期。