CN102931872B - 一种基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，属于超声电机技术领域。所述电机的定子由2n(n>1)个兰杰文振子以一定的角度交叉组成扇形结构；所述兰杰文振子包括振子基体和压电陶瓷片；所述兰杰文振子的前端部柔性铰链为一体形成驱动足，而后端部呈扇形分开；所述兰杰文振子后端部之间通过柔性圆弧片段相连接，外侧的两个兰杰文振子后端部通过柔性圆弧片段与带有圆形通孔的固定端相连接。本发明不仅空间利用率高，且能够增加定子的能量密度和输出力。
Description
技术领域
本发明涉及涉及一种基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，属于超声电机技术领域。
背景技术
直线超声电机是20世纪80年代迅速发展起来的一种新型微特电机，它是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子的宏观直线（旋转）运动，直接推动负载。它具有结构紧凑、低速大扭矩、响应快、定位精度高和电磁兼容性等优点。在航空航天、武器装备和精密驱动领域有着广泛的应用前景。目前国内直线超声电机的发展很快。在中国专利网上，有多项关于直线超声电机的专利。
这其中，杆结构直线超声电机备受关注，这是因为该电机的定子是由兰杰文振子构成的。兰杰文振子利用纵振，有明确的节点。它具有很高的能量传输效率，并有利于夹持。专利【200810124426.2】提出基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，该电机的定子有2个对称的兰杰文振子构成。专利【201020621017.6】提出基于直线超声电机的柔性夹持技术，它是通过柔性圆弧片段将所有压电振子连接起来，并通过柔性圆弧片段将振子与带有圆形通孔的固定端相连接，从而简化了的夹持结构。上述电机的定子仅仅是有两个兰杰文振子构成，其定子的空间利用率低。本发明提出利用2n个对称的兰杰文振子构成电机的定子，并在空间呈现扇形结构。该电机能够提高定子的空间利用率，增加定子的能量密度和输出力。
发明内容
本发明针对上述问题的不足，提出一种空间利用率高，且能够增加定子的能量密度和输出力的基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，所述电机的定子由2n(n>1)个兰杰文振子以一定的角度交叉组成扇形结构；所述兰杰文振子包括振子基体和压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设置于振子基体上；所述振子基体包括作为直杆的后端部和作为连续变截面杆的前端部，同时所述后端部与前端部的交界面为连续截面，所述前端部呈现由后向前渐缩的状态，所述兰杰文振子的前端部柔性铰链为一体形成驱动足，而后端部呈扇形分开；所述兰杰文振子后端部之间通过柔性圆弧片段相连接，外侧的两个兰杰文振子后端部通过柔性圆弧片段与带有圆形通孔的固定端相连接；所述同一边的兰杰文振子分为一组，利用相位差为的两同频正弦信号同时激励左右两组兰杰文振子。
优选的：所述兰杰文振子包括振子基体和两片压电陶瓷片，所述两片压电陶瓷片沿振子基体后端部的内侧与振子基体粘接在一起，所述压电陶瓷片的正极朝外，负极指向振子基体表面。
优选的：所述兰杰文振子包括振子基体、四片压电陶瓷片和两片电极金属片，每两片压电陶瓷片和一片电极金属片组成一组，分别置于振子基体上的柔性夹持件的两侧，且每片电极金属片夹在两片压电陶瓷片之间；所述兰杰文振子前端部通过螺栓将其与电极金属片、压电陶瓷片、柔性夹持件和后端部装配连接在一起构成前端盖；所述压电陶瓷片的正极与金属片相连接，其负极与地相连接。
优选的：所述地相为兰杰文振子的前端部、后端部和柔性夹持件。
优选的：所述2n个兰杰文振子分为两组，所述n个同侧的兰杰文振子为一组，形成定子的A相，而另n个同一侧的兰杰文振子为一组，形成定子的B相；所述A相接正弦信号，B相接余弦信号。
优选的：所述兰杰文振子连接面的面积远小于其周围的振子截面积，从而形成柔性铰链。
优选的：所述驱动足处加工有一个以上的孔。
本发明的一种基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，相比现有技术，具有以下有益效果：由于所述电机的定子由2n(n>1)个兰杰文振子以一定的角度交叉组成扇形结构，且由于直线超声电机主要有板结构和杆结构两种形式。板结构直线超声电机为扁平形式，结构简单，在特定场合能发挥作用。杆结构直线超声电机利用兰杰文振子可以产生大的输出力和高的输出效率。重要是，兰杰文振子有明确的纵振节点，有利于电机的加持和预压力加载。因此本项专利结合这两种直线超声电机的特点，利用多个兰杰文振子设计直线超声电机。一方面该电机的主体结构为杆结构的兰杰文振子，另一方面其外观结构为板结构。所以该电机结构简单、有明确的加持点和高的效率，并具有扁平的结构形式。
同时本发明的结构可以保证：（1）直杆和连续变截面杆在交接面处不存在突变截面（即有相同的声阻抗），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的设计，使得它在每个截面上具有相同的声阻抗；（3）连续变截面杆采用由后向前渐缩的设计，也使得兰杰文振子头部振动的振幅被放大；（4）定子通过驱动足和兰杰文振子在连接面上连续收缩而成，也使得定子在驱动足处的弯矩减少，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。因此，本发明有助于提高电机的速度、输出力和运行效率。
附图说明
图1是夹芯式扇形直线超声电机定子的示意图；
图2是贴片式扇形直线超声电机定子的示意图；
图3是夹芯式扇形电机定子的极化以及信号加载示意图；
图4是贴片式扇形电机定子的极化以及信号加载示意图‘
图5是基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机工作模态的示意图。其中，图5（a）是定子对称工作模态的示意图，图5（b）定子反对称工作模态的示意图。
图中标号名称：1.定子基体；2.压电陶瓷片；3.振子基体；4.柔性圆弧片段；5.带有圆形通孔的固定端；6.驱动足；7.前端部；8.后端部。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
实施例1
本实施例的一种基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机如图2、4所示，本实施例直线超声电机，由于其兰杰文振子是由振子基体和压电陶瓷片粘合而成，所以称之为贴片式扇形电机，所述电机的定子由2n(n>1)个兰杰文振子以一定的角度交叉组成扇形结构，考虑到设计简便、容易加工等原则，本实施例设计时采用四个兰杰文振子，所述兰杰文振子以相同的角度隔开；所述兰杰文振子包括振子基体和两片压电陶瓷片，所述振子基体包括作为直杆的后端部和作为连续变截面杆的前端部，同时所述后端部与前端部的交界面为连续截面，所述前端部呈现由后向前渐缩的状态，所述两片压电陶瓷片沿振子基体后端部的内侧与振子基体粘接在一起；所述振子基体的材料为65Mn，通过特种加工一次性线切割加工而成；所述兰杰文振子的前端部柔性铰链为一体形成驱动足，而后端部呈扇形分开，即驱动足和四个兰杰文振子在连接面上连续收缩，其连接面的面积远小于其周围的振子截面积，从而形成柔性铰链，柔性铰链是通过在靠近驱动足处加工5个孔来实现的；所述兰杰文振子后端部之间通过柔性圆弧片段相连接，外侧的两个兰杰文振子后端部通过柔性圆弧片段与带有圆形通孔的固定端相连接，之后通过螺钉将定子与装载装置装配在一起。
所述2n个兰杰文振子分为两组，即所述n个同侧的兰杰文振子为一组，形成定子的A相，而另n个同一侧的兰杰文振子为一组，形成定子的B相，即同一边的压电振子分为一组；所述A相接正弦信号，B相接余弦信号；利用相位差为的两同频正弦信号同时激励左右两组压电振子，从而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表面的质点产生椭圆运动来推动动子做连续的直线运动。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振幅，使电机具有输出力大，运行速度高，输出效率高等特点。该型定子是利用压电陶瓷片的逆压电效应d31激发定子的两个振动模态。
将定子的压电振子分为两组，即同一边的两个压电振子分为一组。利用相位差为的两同频正弦信号同时激励左右两组压电振子，从而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表面的质点产生椭圆运动来推动动子做连续的直线运动。
图4是压电陶瓷片的极化以及信号加载示意图。提供正弦激励信号给其中一组压电振子的陶瓷片，同时提供另一正弦激励信号给另一组压电振子的陶瓷片，激发定子的两个同频相位差为的振动模态，从而合成驱动足处质点的椭圆运动。
扇形直线超声电机定子的两个工作模态如图5所示。图5（a）说明，定子的左右两组压电振子做同向的纵向伸缩振动，在驱动足处合成为上下运动。图5（b）说明，定子的左右两组压电振子做反向的纵向伸缩振动，在驱动足处合成为左右运动。
实施例2
本实施例和本实施例1的激励信号加载方式相同，本实施例与实施例1的区别在于：电机运行机理所依赖的压电陶瓷极化效应不同。方案1利用压电陶瓷的d31效应，方案2利用压电陶瓷的d33效应。因而其结构区别在于：如图1、3所示，所述兰杰文振子包括振子基体、四片压电陶瓷片和两片电极金属片，每两片压电陶瓷片和一片电极金属片组成一组，分别置于振子基体上的柔性夹持件的两侧，且每片电极金属片夹在两片压电陶瓷片之间；所述兰杰文振子前端部通过螺栓将其与电极金属片、压电陶瓷片、柔性夹持件和后端部装配连接在一起构成前端盖；所述压电陶瓷片的正极与金属片相连接，其负极与地相连接，所述地相为兰杰文振子的前端部、后端部和柔性夹持件。该型定子是利用压电陶瓷片的逆压电效应d33激发定子的两个振动模态，由于本实施例的兰杰文振子由振子基体和压电陶瓷片装配而成，所以称之为夹芯式扇形电机。
将定子的压电振子分为两组，即同一边的两个压电振子分为一组。利用相位差为的两同频正弦信号同时激励左右两组压电振子，从而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表面的质点产生椭圆运动来推动动子做连续的直线运动。
实施例3
本实施例与实施例1、2的区别在于：本实施例与实施例1、2的激励信号加载方式不同，其结构采用实施例1的结构，如图2、4所示，将定子的压电振子分为两组，外侧的两个兰杰文振子分为一组，内侧的两个兰杰文振子分为一组。对于外侧的两个兰杰文振子，其中某一个兰杰文振子的压电陶瓷片的极化方向与另一兰杰文振子的压电陶瓷片的极化方向相反。用同一正弦信号同时激励外侧的两个兰杰文振子，使驱动足上的质点作水平往复运动。用与上述正弦信号成一定相位差（）的另一正弦信号同时激励内侧的两个兰杰文振子，使驱动足上的质点作竖直往复运动。这两个运动的叠加使得驱动足表面的质点产生椭圆运动来推动动子做连续的直线运动。
实施例4
本实施例与实施例1、2的区别在于：本实施例与实施例1、2、3的激励信号加载方式不同，其结构采用实施例1的结构，如图2、4所示，将定子的压电振子分为两组，相隔的两个兰杰文振子分为一组，即某一边外侧的兰杰文振子与另一边内侧的兰杰文振子分为一组。利用相位差为的两同频正弦信号同时激励上述两组压电振子，从而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表面的质点产生椭圆运动来推动动子做连续的直线运动。
综上所述：实施例1和实施例2的激励信号加载方式相同，他们的区别在于电机运行机理所依赖的压电陶瓷极化效应不同。实施例1利用压电陶瓷的d31效应，实施例2利用压电陶瓷的d33效应。
实施例3和实施例4的激励信号加载方式互不相同，并且与实施例1和实施例2的激励信号加载方式不同。为了突出说明不同激励信号的加载方式，故实施例3和实施例4均利用压电陶瓷的d31效应，即采用实施例1的贴片式扇形电机为方案对象。
上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术和权利保护范畴。
Claims (7)
1.一种基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，其特征在于：所述电机的定子由2n个兰杰文振子以一定的角度交叉组成扇形结构，其中，n>1；所述兰杰文振子包括振子基体和压电陶瓷片，所述压电陶瓷片设置于振子基体上；所述振子基体包括作为直杆的后端部和作为连续变截面杆的前端部，同时所述后端部与前端部的交界面为连续截面，所述前端部呈现由后向前渐缩的状态，所述兰杰文振子的前端部柔性铰链为一体形成驱动足，而后端部呈扇形分开；所述兰杰文振子后端部之间通过柔性圆弧片段相连接，外侧的两个兰杰文振子后端部通过柔性圆弧片段与带有圆形通孔的固定端相连接；所述同一边的兰杰文振子分为一组，利用相位差为π/2的两同频正弦信号同时激励左右两组兰杰文振子。
2.根据权利要求1所述基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，其特征在于：所述兰杰文振子包括振子基体和两片压电陶瓷片，所述两片压电陶瓷片沿振子基体后端部的内侧与振子基体粘接在一起，所述压电陶瓷片的正极朝外，负极指向振子基体表面。
3.根据权利要求1所述基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，其特征在于：所述兰杰文振子包括振子基体、四片压电陶瓷片和两片电极金属片，每两片压电陶瓷片和一片电极金属片组成一组，分别置于振子基体上的柔性夹持件的两侧，且每片电极金属片夹在两片压电陶瓷片之间；所述兰杰文振子前端部通过螺栓将其与电极金属片、压电陶瓷片、柔性夹持件和后端部装配连接在一起构成前端盖；所述压电陶瓷片的正极与金属片相连接，其负极与地相连接。
4.根据权利要求3所述基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，其特征在于：所述地相为兰杰文振子的前端部、后端部和柔性夹持件。
5.根据权利要求1或2或3所述基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，其特征在于：所述2n个兰杰文振子分为两组，所述n个同侧的兰杰文振子为一组，形成定子的A相，而另n个同一侧的兰杰文振子为一组，形成定子的B相；所述A相接正弦信号，B相接余弦信号。
6.根据权利要求1或2或3所述基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，其特征在于：所述兰杰文振子连接面的面积远小于其周围的振子截面积，从而形成柔性铰链。
7.根据权利要求1或2或3所述基于连续变幅杆原理的扇形直线超声电机，其特征在于：所述驱动足处加工有一个以上的孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160504 Termination date: 20171102 |