CN103414370A - 单激励直线超声电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种单激励直线超声电机，动子包括滑条和设置在滑条表面的摩擦层；定子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和设置在椭圆振动模态转换器前端的摩擦驱动块；所述的超声振动换能器包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；椭圆振动模态转换器设置在超声振动换能器的前端，为斜楔形结构，该椭圆振动模态转换器可以将超声振动换能器产生的纵向超声振动转换为椭圆振动模态转换器末端和摩擦驱动块的纵弯复合超声椭圆振动，并驱动动子进行连续直线运动。

Description

单激励直线超声电机
技术领域
本发明涉及利用压电陶瓷逆压电效应的超声电机领域，尤其是涉及一种单激励直线超声电机。
背景技术
直线超声电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机，是利用压电材料的逆压电效应实现电能-机械能转换的机电耦合装置，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。因其具有体积小、重量轻、低速大扭矩、噪声小、响应快、定位精度高、无电磁干扰和环境适应性强等优点，在医疗、航空航天、机器人、MEMS 等技术领域得到了日益广泛的应用。
单激励模态转换型超声电机是超声电机的一种，它是利用一组压电陶瓷元件的激励，通过特殊结构的模态转换器使定子产生具有两种振动模态分量的复杂振动。如果这两个振动模态之间存在一定的相位差且频率相近，定子和转子接触界面上定子的端面质点就会产生椭圆轨迹振动，从而通过定子和转子之间的摩擦获得转子的运动和扭矩。利用模态转换原理制作的超声电机只需要一组控制电路及其驱动电源，控制驱动系统简单，制造成本、控制难度均可得到降低。
目前国内直线超声电机的研究发展很快，清华大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校先后对直线超声电机展开了研究。自2004年以来，中国专利网陆续刊登了环形驻波直线超声电机【200510046044.9】、棱柱型纵弯复合振子直线超声电机【200610132316.1】、三角形弯板式压电直线超声电机【200710045921.X】、H形驻波直线超声电机振子【200820014739.8】、圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及电激励方法【200710020963.8】、基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机【200810124426.2】等专利。但是现有的直线超声电机存在着结构复杂、输出功率小、制造困难、对制造装配要求较高、成本较高和寿命短等不足。这些问题制约了它们在工业生产中的应用。
发明内容
本发明提供了一种新型的单激励直线超声电机，目的是为了克服上述直线超声电机中存在的不足。
单激励直线超声电机，包括定子和动子，所述的动子包括滑条和设置在滑条表面的摩擦层；所述的定子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和摩擦驱动块；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有可与其它结构装置联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧，构成了单激励直线超声电机的能量转换部分，将超声电源输出的超声电能转换为超声换能器的超声振动能量。
所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端，或者利用附加的一个联接螺柱将椭圆振动模态转换器联接在前盖板的前端，椭圆振动模态转换器为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器原整体为长方体，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成3-30度夹角。
使椭圆振动模态转换器形成斜楔形结构的目的是为了改变超声振动换能器的振动模态，使其纵向振动模态频率和弯曲振动模态频率接近或相等，由于斜楔形结构椭圆振动模态转换器的存在，超声振动换能器产生的纵向超声振动在传递到斜楔形结构椭圆振动模态转换器后，在斜楔形结构椭圆振动模态转换器的末端分解为一部分纵向振动分量和一部分弯曲振动分量，且两振动分量具有一定的相位差，进而在斜楔形结构椭圆振动模态转换器的末端复合形成椭圆轨迹振动。
所述的摩擦驱动块通过焊接、粘接或螺钉联接方式设置在椭圆振动模态转换器的前端，摩擦驱动块与滑条上的摩擦层相接触。超声振动换能器的法兰盘用来安装定子和预压力装置，将定子和动子连接成一整体构成单激励直线超声电机，经法兰盘固定后的超声振动换能器轴线与滑条的夹角为20度~160度。
当超声电源输出的超声电信号接入到超声振动换能器的电极片后，超声振动换能器即产生超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器末端的纵弯复合超声椭圆振动，并驱动摩擦驱动块和椭圆振动模态转换器末端一起做超声椭圆振动，进而驱动动子进行连续直线运动。相比现有文献介绍的单激励直线超声电机，该直线超声电机具有功率容量大、能量转换效率高、结构简单，制造容易、成本低、结构刚度大、控制驱动系统简单和振动性能稳定等优点。
更进一步，所述的单激励直线超声电机只有一组纵向振动压电陶瓷片。
更进一步，所述的单激励直线超声电机只需一路超声电信号激励。
本发明采用了机械振动模态转换机理把超声换能器的纵向振动转换为椭圆振动模态转换器的纵弯复合超声椭圆振动，简化了单激励直线超声电机的整体结构，大大降低了振动系统的复杂程度，降低了制造、装配难度和生产成本，整个单激励直线超声电机结构简单、制造容易，有利于微型化目标的实现；另外该发明仅需要一路控制电路及超声电信号进行激励，控制难度低，避免了两相或多相超声振动复合形成椭圆振动换能器的复杂超声电源开发费用，简化了控制电路及超声电源结构，降低了控制电路及超声电源成本，减小了控制电路及超声电源体积，易于实现控制电路及超声电源的微型化，集成化，提高了可靠性，工作性能更加稳定，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的应用实例示意图。
图中标号说明：1.螺栓，2.后盖板，3.压电陶瓷片，4.电极片，5.前盖板，6. 法兰盘，7.椭圆振动模态转换器，8.滑条，9.摩擦层，10摩擦驱动块，11.超声电源
具体实施方式
结合图1、2所示，单激励直线超声电机，包括定子和动子，动子包括滑条8和粘接在滑条8表面的摩擦层9；定子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器7和摩擦驱动块10；超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓1及依次套设在螺栓1上的后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5，前盖板5上设置有可与其它结构装置联接用的法兰盘6，后盖板2和前盖板5通过螺栓1将后盖板2、压电陶瓷片3、电极片4和前盖板5联接压紧，构成了单激励直线超声电机的能量转换部分，将超声电源11输出的超声电能转换为超声振动换能器的超声振动能量。该单激励直线超声电机只有一组纵向振动压电陶瓷片3，压电陶瓷换能器段直径30mm，压电陶瓷片3的材料为PZT-8，尺寸为：Ф30mm×Ф15mm×5mm，压电陶瓷片3的片数为2。
斜楔形结构椭圆振动模态转换器7原整体为长方体，截面边长为15×15mm，长40mm，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成10度夹角。
摩擦驱动块10通过粘接设置在椭圆振动模态转换器7的前端，摩擦驱动块10与滑条8上的摩擦层9相接触。利用超声振动换能器的法兰盘进行安装定子和预压力装置，将定子和动子连接成一整体构成单激励直线超声电机，经法兰盘固定后的超声振动换能器轴线与滑条的夹角为45度。
单激励直线超声电机定子固有频率为25.32KHz，阻抗为86欧姆，动态电阻为17欧姆，只需一路超声电信号激励，超声电源11输出电压范围为0-400V，电流范围为0-4A，输出频率为25.32±0.01KHz，且超声电源11在指定频率范围内具有自动频率跟踪功能。
当超声电源输出的超声电信号接入到超声振动换能器的电极片4后，超声振动换能器即产生超声振动，超声振动能量从超声振动换能器传递到椭圆振动模态转换器7末端后，转换为具有一定相位差的纵向振动和弯曲振动复合的纵弯复合超声椭圆振动，即转换为椭圆振动模态转换器7末端的纵弯复合超声椭圆振动；并驱动摩擦驱动块10和椭圆振动模态转换器7末端一起做超声椭圆振动。运行10分钟后系统达到稳定振动状态，超声电源11的输出电压为240V，电流为1.45A，当摩擦驱动块和动子接触后，驱动动子进行连续直线运动，速度峰值为16.5mm/s。

Claims (6)

1.单激励直线超声电机，包括动子和定子，其特征在于：动子包括滑条和设置在滑条表面的摩擦层；定子包括超声振动换能器、椭圆振动模态转换器和摩擦驱动块；所述的超声振动换能器外轮廓为圆柱形，其包括螺栓及依次套设在螺栓上的后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板，前盖板上设置有可与其它结构装置联接用的法兰盘，后盖板和前盖板通过螺栓将后盖板、压电陶瓷片、电极片和前盖板联接压紧；所述的椭圆振动模态转换器设置在前盖板的前端，为斜楔形结构，斜楔形结构椭圆振动模态转换器原整体为长方体，沿超声振动换能器轴线方向其一侧被切割掉一部分后形成斜楔形结构，形成斜楔形的两个侧面中，未被切割的一侧面平行于超声振动换能器轴线，被切割过的另一侧面与超声振动换能器轴线成3-30度夹角；所述的摩擦驱动块设置在椭圆振动模态转换器的前端；经法兰盘固定后的超声振动换能器轴线与滑条的夹角为20度~160度。
2.根据权利要求1所述的单激励直线超声电机，其特征在于：所述的椭圆振动模态转换器和前盖板制作成一个整体设置在前盖板的前端。
3.根据权利要求1所述的单激励直线超声电机，其特征在于：还包括一个联接螺柱，用于将椭圆振动模态转换器联接在前盖板的前端。
4.根据权利要求1或2或3所述的单激励直线超声电机，其特征在于：所述的摩擦驱动块通过焊接设置在椭圆振动模态转换器的前端。
5.根据权利要求1或2或3所述的单激励直线超声电机，其特征在于：所述的摩擦驱动块通过粘接设置在椭圆振动模态转换器的前端。
6.根据权利要求1或2或3所述的单激励直线超声电机，其特征在于：还包括一个联接螺钉，用于将摩擦驱动块联接在椭圆振动模态转换器的前端。
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