CN110601589B - 叠层八杆型压电定子推动的直线电机及运行方式 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叠层八杆型压电定子推动的直线电机及运行方式，所述直线电机包括定子组件、定位平台和支座组件，定子组件与支座组件固定连接且介于定位平台之内并通过驱动足与定位平台接触，定位平台与支座组件之间形成移动副。利用叠层八杆型压电定子特定的双重积分符形模态和双夹钳形模态驱动定位平台，当对双重积分符弯振激励陶瓷、双夹钳弯振激励陶瓷施加等幅、同频并且时间相位相差90o的两相交流电功率信号对两相工作模态进行激励时，将在定子组件上同时激发出双重积分符形模态振动、双夹钳形模态振动等两相弹性振动，使驱动足耦合形成椭圆运动轨迹，从而交替推动定位平台移动。本发明能产生较高的响应速度、运行精度和输出较大推力。
Description
技术领域
发明涉及一种精密驱动压电直线电机结构及运行方式，属于压电电机领域。
背景技术
压电电机作为一种新型动力机械部件，基于压电陶瓷的逆压电效应实现电能转换到振动态机械能，并通过摩擦过程将振动能转换为动子特定的移动或转动。与传统的电磁电机相比，压电电机具有结构简单、小型轻量、响应快、噪声低、断电自锁、不受磁场干扰、运动精确等优点。以上世纪40年代美国学者Williams A和Brown W申请第一个有关压电电机的专利为开端，迄今在美国、日本、德国等科技发达国家, 压电电机技术及其产品已实现产业化。压电电机主要分为旋转型和直线型两大类，目前旋转型压电电机技术已日趋成熟，直线电机技术的发展则相对滞后。然而，直线电机因其定子对动子进行直接驱动、抛却传动变换机构，故定位精度高、运动精密，从而在运动工作台的精密驱动、显微设备驱动、生物医学操作、IC蚀刻、光纤对接与装配等领域存在广阔应用前景。压电直线电机已成为压电电机的研究热点。2008年，时运来设计出单矩形板复合模态直线超声电机；2013年，姚志远则利用兰杰文结构设计出扇形定子超声电机；2015年张建滔提出三棱柱形直线电机。此外，尚有满足特定使用要求的其它新构型压电直线电机也在近年来陆续提出和开发，例如，物理光栅三维扫描仪需要在 29mm×23mm×3mm 狭小空间内调整光栅位置; 缓冲气囊在着陆缓冲过程需要体积小、执行力大、响应快的作动器实时控制气囊排气口大小; 引信安全系统中需要扁平结构的作动器驱动引信隔爆机构运动，且要求作动器无电磁干扰。总体上，为推进直线电机发展，人们已做了不少工作并取得了大量成果。尽管如此，目前的压电直线电机还远谈不上成熟，其性能离广泛工程应用需求尚存较大差距。一方面，它还普遍存在动力小、效率低、工作欠稳定等问题，另一方面，目前比较有限的直线电机结构形式使其还无法满足应用领域对其提出的多样需求，故更多地发明直线电机新原理及其动力学结构仍是压电电机研究的重要方面。
发明内容
本发明的目的在于提供一种叠层八杆型压电定子推动的直线电机及运行方式，克服原直线电机定子定位复杂、运动位置分辨率低、运行速度慢和输出推力小的缺点。
一种叠层八杆型压电定子推动的直线电机，包括定子组件、定位平台和支座组件，其特征在于：所述的定子组件连接支座组件并介于定位平台之内，所述的定位平台连接定子组件和支座组件，并且与支座组件之间形成移动副，所述定子组件包括定子基体、压电陶瓷片、驱动足，所述定子基体包括矩形块及位于矩形块前后表面四个边角处的八根方形杆体，所述矩形块与方形杆体为一体化结构，其中处于矩形块上部位置的四根方形杆体构成上层体，处于矩形块下部位置的四根方形杆体构成下层体，在矩形块上表面中心处钻出了通孔，方形杆体与矩形块连接端设有沟槽，且各方形杆体中心处均钻出盲孔，旨在减小方形杆体的刚度以增大定子工作模态振动的振幅；所述压电陶瓷片为矩形薄板状，粘贴在方形杆体沿长度方向同一位置处的四周且分为两组，其中粘贴在各方形杆体上、下表面的压电陶瓷片为双夹钳弯振激励陶瓷，粘贴在各方形杆体两侧面上的压电陶瓷片为双重积分符弯振激励陶瓷，所述驱动足呈长方体状，配置在定子基体上、下表面的杆端位置。
一种叠层八杆型压电定子推动的直线电机，其特征在于：所述定位平台包括下层板、上层板和四根立柱，所述下层板与上层板均为矩形板且外围尺寸相同，下层板中部开设方槽，所述立柱呈方条状，其一端通过平台螺钉与下层板紧固，另一端通过平台螺钉固定在上层板上，并且在立柱与上层板连接间压入了弹性垫片；所述支座组件包括底板、导轨条，在底板的中心位置设有凸台，并在凸台上制出了螺纹孔，导轨条的截面呈“凹”入状，两导轨条均通过螺钉紧固在底板上，且导轨条与底板连接处设有导轨弹性垫片，两个导轨条相互平行且其凹槽相对，所述底板的四个边角处设有安装螺钉；所述定位平台的下层板连接支座组件的导轨条，并构成移动副；所述定子组件介于下层板与上层板之间，并通过螺钉连接在支座组件上的凸台上；定子组件上层体上的四个驱动足连接上层板的下表面，下层体上的四个驱动足连接下层板的上表面；通过调整弹性垫片的压紧程度可调节定位平台与定子组件之间的预压力。
一种叠层八杆型压电定子推动的直线电机，其特征在于：电机工作模态包括定子组件的双重积分符形模态和双夹钳形模态，所述的双重积分符形模态指定子的振动仅发生在上层体、下层体所处平面内，并且各层体的两竖杆弯曲形态完全一致；所述双夹钳形模态是指定子的振动发生在两层体所处平面之外，并且两层体结构各竖杆的上、下部分的弯曲形态正好相反，其中双夹钳形模态用以实现驱动足交替的保持与定位平台的接触或分离，双重积分符形模态用以实现驱动足交替的推动定位平台移动。
一种叠层八杆型压电定子推动的直线电机，其运行方式为：基于压电陶瓷片的逆压电效应激发出定子组件特定的双重积分符形模态和双夹钳形模态，进而利用定子组件特定的双重积分符形模态和双夹钳形模态推动定位平台运行，当分别对双重积分符弯振激励陶瓷、双夹钳弯振激励陶瓷施加等幅、同频并且时间相位差相差90o的两相交流电功率信号对两相工作模态进行激励时，将在定子组件上同时激发出双重积分符形模态振动、双夹钳形模态振动两相弹性振动，两相弹性振动的线性叠加使方形杆体端部的驱动足上的质点产生椭圆运动轨迹，叠层八杆型压电定子利用该椭圆运动，并借助驱动足与定位平台之间的摩擦耦合过程，推动定位平台作直线运动，当施加在双重积分符弯振激励陶瓷、双夹钳弯振激励陶瓷上的电功率信号之间的相位差变为-90o时，驱动足的质点椭圆运动轨迹方向发生改变，从而使定位平台作反方向的直线运动。
本发明的优点是：本发明的直线电机定位方式简单，选定无振动位移的矩形块中心位置作为定子夹持点并将定子悬浮固定，既保证了定位的可靠性又避免了因为夹持和固定可能带来的工作模态异形化以及其模态频率大幅飘移等问题；本发明的直线电机通过调节螺钉和弹性垫片来调节定子组件与定位平台之间的预压力，方便用户操作，也使得电机结构更加紧凑和稳定；本发明的直线电机采用叠层八杆型压电定子的多个驱动足直接推动定位平台运动，这种众多驱动足合力驱动的方式能成倍增大定位平台的输出推力和速度并使其平台的运行更稳定，保证电机响应速度快，定位精度高的同时又能输出较大推力和速度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的侧视结构示意图；
图3为本发明中定子组件的结构示意图；
图4为本发明中定位平台的结构示意图；
图5为本发明中支座组件的结构示意图；
图6为本发明中定子组件的双重积分符形模态示意图；
图7为本发明中定子组件的双夹钳形模态示意图；
图8为本发明中上层体的压电陶瓷位置布置及其压电极化与供电配置平面示意图；
图9为本发明中下层体的压电陶瓷位置布置及其压电极化与供电配置平面示意图；
图10为本发明定子组件推动定位平台作直线运动的平面示意图；
图中：1-定子组件，11-定子基体，111-矩形块，112-方形杆体，12-压电陶瓷片，13-驱动足，2-定位平台，21-下层板，22-上层板，23-立柱，24-平台螺钉，25-弹性垫片，3-支座组件，31-底板，311-凸台，32-导轨条，33-安装螺钉，34-螺钉，35-导轨弹性垫片。
具体实施方式
现结合附图详细说明本发明结构的实施方式：
一种叠层八杆型压电定子推动的直线电机，如图1～图5所示，包括定子组件1、定位平台2和支座组件3，其特征在于：所述的定子组件1连接支座组件3并介于定位平台2之内，所述的定位平台2连接定子组件1和支座组件3，并且与支座组件3之间形成移动副，所述定子组件1包括高性能PZT压电陶瓷片12、由金属弹性材料构成的定子基体11、由耐磨材料构成的驱动足13，所述定子基体11包括矩形块111及位于矩形块111前后表面四个边角处的八根方形杆体112，所述矩形块111与方形杆体112为一体化结构，其中处于矩形块111上部位置的四根方形杆体112构成上层体，处于矩形块111下部位置的四根方形杆体112构成下层体，在矩形块111上表面中心处钻出了通孔，以供定子基体11采用螺钉穿过该孔安装在支座组件3上，方形杆体112与矩形块111连接端设有沟槽，且各方形杆体112中心处均钻孔，旨在减小方形杆体112的刚度以增大定子工作模态振动的振幅；所述压电陶瓷片12为矩形薄板状，粘贴在方形杆体112沿长度方向同一位置处的四周且分为两组，其中粘贴在方形杆体112上、下表面的压电陶瓷片12为双夹钳弯振激励陶瓷，共计十六片，粘贴在方形杆体112侧面的压电陶瓷片12为双重积分符弯振激励陶瓷，共计十六片；所述驱动足13呈长方体状，共八件，配置在定子基体11上、下表面的杆端位置，为避免运动干涉，驱动足13的高度需大于压电陶瓷片12的厚度。所述定位平台2包括下层板21、上层板22和四根立柱23，所述下层板21与上层板22均为矩形板且外围尺寸相同，下层板21中部开设方槽以便凸台311能穿透下层板21，以利于定子基体11的安装，所述立柱23呈方条状，其一端通过平台螺钉24与下层板21紧固，另一端通过平台螺钉24固定在上层板22上，并且在立柱23与上层板22连接间压入了弹性垫片25；所述支座组件3包括底板31、导轨条32，在底板31的中心位置安装了凸台311，在凸台311上制出螺纹孔供定子组件1固定之用，导轨条32的截面呈“凹”入状，两导轨条32均通过螺钉34紧固在底板31上，且导轨条32与底板31连接处设有导轨弹性垫片35，两个导轨条32相互平行且其凹槽相对，所述底板31的四个边角处设有安装螺钉33；所述定位平台2的下层板21连接支座组件3的导轨条32，并构成移动副；所述定子组件1介于下层板21与上层板22之间，并通过螺钉连接在支座组件3上的凸台311上；定子组件1的上层体上的四个驱动足13连接上层板22的下表面，下层体上的四个驱动足13连接下层板21的上表面；通过调整弹性垫片25的压紧程度可调节定位平台2与定子组件1之间的预压力。
上述叠层八杆型压电定子推动的直线电机工作模态是：如图6、图7所示，包括定子组件1方形杆体112基于所在层体平面沿水平方向往复振动的双重积分符形模态，及基于所在层体平面沿垂直于层体平面正反方向往复振动的双夹钳形模态，所述的双重积分符形模态指定子的振动仅发生在上层体、下层体所处平面内，并且各层体的两竖杆弯曲形态完全一致；所述双夹钳形模态是指定子的振动发生在两层体所处平面之外，并且两层体结构各竖杆的上、下部分的弯曲形态正好相反。其中双夹钳形模态用以实现驱动足13交替的保持与定位平台2的接触或分离，双重积分符形模态用以实现驱动足13交替的推动定位平台2移动。
上述叠层八杆型压电定子推动的直线电机运行方式是：如图6～图10所示，基于压电陶瓷片12的逆压电效应激发出定子组件1特定的双重积分符形模态和双夹钳形模态，进而利用定子组件1特定的双重积分符形模态和双夹钳形模态推动定位平台2运行；当分别对双重积分符弯振激励陶瓷、双夹钳弯振激励陶瓷施加等幅、同频并且时间相位差相差90o的两相交流电功率信号对两相工作模态进行激励时，将在定子组件1上同时激发出双重积分符形模态振动、双夹钳形模态振动两相弹性振动。由于两相振动在时间、空间上均相差90o相位，故当它们通过定子组件1进行振动耦合和线性叠加后，将使方形杆体112端部的驱动足13上的质点产生椭圆运动轨迹。叠层八杆型压电定子利用该椭圆运动，并借助驱动足13与定位平台2之间的摩擦耦合过程，推动定位平台2作直线运动。当施加在双重积分符弯振激励陶瓷、双夹钳弯振激励陶瓷上的电功率信号之间的相位差变为-90o时，驱动足13的质点椭圆运动轨迹方向发生改变，从而使定位平台2作反方向的直线运动。
如图8、图9所示，为了有效、正确地激发出双重积分符形模态，需对双重积分符弯振激励陶瓷进行合理极化与供电配置，以“+”表示压电极化方向垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向方形杆体112，以“-”表示压电极化方向垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向方形杆体112；为此要求：粘贴在矩形块111后表面的四根方形杆体112左表面的压电陶瓷片12均垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向方形杆体112方向极化、右表面的压电陶瓷片12均垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向方形杆体112方向极化，粘贴在矩形块111前表面的四根方形杆体112左表面的压电陶瓷片12均垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向方形杆体112方向极化、右表面的压电陶瓷片12均垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向方形杆体112方向极化；所有双重积分符弯振激励陶瓷的表面均通入同频余弦激励电压；同时要求双重积分符弯振激励陶瓷与方形杆体112的粘贴面均接地接入零激励电压；为了有效，正确地激发出双夹钳形模态，需对双夹钳弯振激励陶瓷进行合理极化与供电配置，为此要求：粘贴在上层体且位于矩形块111后表面的方形杆体112上表面的压电陶瓷片12均垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向方形杆体112方向极化、下表面的压电陶瓷片12均垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向方形杆体112方向极化，粘贴在上层体且位于矩形块111前表面的方形杆体112上表面的压电陶瓷片12均垂直于粘贴表面且与法线方向相反指向方形杆体112方向极化、下表面的压电陶瓷片12均垂直于粘贴表面且与法线方向相同背向方形杆体112方向极化；粘贴在下层体方形杆体112表面的双夹钳弯振陶瓷极化方向与上层体方形杆体112表面的双夹钳弯振激励陶瓷极化方向对应相反；所有双夹钳弯振激励陶瓷的表面均通入同频正弦激励电压 />，同时要求双夹钳弯振激励陶瓷与方形杆体112的粘贴面均接地接入零激励电压。如图10所示，利用双重积分符弯振激励陶瓷、双夹钳弯振激励陶瓷的逆压电效应，进而通过对双重积分符弯振激励陶瓷、双夹钳弯振激励陶瓷施加等幅、同频并且时间相位差相差90o的两相交流电功率信号对两相工作模态进行激励，将在定子组件1上同时激发出双重积分符形模态振动、双夹钳形模态振动两相弹性振动，两相工作模态的共振或近共振驱使置于方形杆体112端部的驱动足13上的质点作椭圆运动；叠层八杆型压电定子利用该椭圆运动并借助驱动足13与定位平台2之间的摩擦耦合作用，推动定位平台2作直线运动；通过改变两路激励信号的相位差为-90o时，可改变驱动足13上的质点椭圆运动方向，从而使定位平台2作反向直线运动。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，则应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的保护范围。
Claims (3)
1.一种叠层八杆型压电定子推动的直线电机，包括定子组件（1）、定位平台（2）和支座组件（3），其特征在于：所述的定子组件（1）连接支座组件（3）并介于定位平台（2）之内，所述的定位平台（2）连接定子组件（1）和支座组件（3），并且与支座组件（3）之间形成移动副，所述定子组件（1）包括定子基体（11）、压电陶瓷片（12）、驱动足（13），所述定子基体（11）包括矩形块（111）及位于矩形块（111）前后表面四个边角处的八根方形杆体（112），所述矩形块（111）与方形杆体（112）为一体化结构，其中处于矩形块（111）上部位置的四根方形杆体（112）构成上层体，处于矩形块（111）下部位置的四根方形杆体（112）构成下层体，在矩形块（111）上表面中心处钻出通孔，以供定子基体（11）采用螺钉穿过该孔安装在支座组件（3）上，方形杆体（112）与矩形块（111）连接端设有沟槽，且各方形杆体（112）中心处均钻孔，旨在减小方形杆体（112）的刚度以增大定子工作模态振动的振幅；所述压电陶瓷片（12）为矩形薄板状，粘贴在方形杆体（112）沿长度方向同一位置处的四周且分为两组，其中粘贴在方形杆体（112）上、下表面的压电陶瓷片（12）为双夹钳弯振激励陶瓷，粘贴在方形杆体（112）侧面的压电陶瓷片（12）为双重积分符弯振激励陶瓷，所述驱动足（13）呈长方体状，配置在定子基体（11）上、下表面的杆端位置；
所述叠层八杆型压电定子推动的直线电机，其运行方式为：基于压电陶瓷片（12）的逆压电效应激发出定子组件（1）双重积分符形模态和双夹钳形模态，进而利用定子组件（1）双重积分符形模态和双夹钳形模态推动定位平台（2）运行；当分别对双重积分符弯振激励陶瓷、双夹钳弯振激励陶瓷施加等幅、同频并且时间相位差相差90o的两相交流电功率信号对两相工作模态进行激励时，将在定子组件（1）上同时激发出双重积分符形模态振动、双夹钳形模态振动两相弹性振动，两相弹性振动的线性叠加使方形杆体（112）端部的驱动足（13）上的质点产生椭圆运动轨迹，叠层八杆型压电定子利用该椭圆运动，并借助驱动足（13）与定位平台（2）之间的摩擦耦合过程，推动定位平台（2）作直线运动；当施加在双重积分符弯振激励陶瓷、双夹钳弯振激励陶瓷上的电功率信号之间的相位差变为-90o时，驱动足（13）的质点椭圆运动轨迹方向发生改变，从而使定位平台（2）作反方向的直线运动。
2.根据权利要求1所述的叠层八杆型压电定子推动的直线电机，其特征在于：所述定位平台（2）包括下层板（21）、上层板（22）和四根立柱（23），所述下层板（21）与上层板（22）均为矩形板且外围尺寸相同，下层板（21）中部开设方槽，所述立柱（23）呈方条状，其一端通过平台螺钉（24）与下层板（21）紧固，另一端通过平台螺钉（24）固定在上层板（22）上，并且在立柱（23）与上层板（22）连接间压入了弹性垫片（25）；所述支座组件（3）包括底板（31）、导轨条（32），在底板（31）的中心位置安装了凸台（311），在凸台（311）上制出螺纹孔，导轨条（32）的截面呈“凹”入状，两导轨条（32）均通过螺钉（34）紧固在底板（31）上，且导轨条（32）与底板（31）连接处设有导轨弹性垫片（35），两个导轨条（32）相互平行且其凹槽相对，所述底板（31）的四个边角处设有安装螺钉（33）；所述定位平台（2）的下层板（21）连接支座组件（3）的导轨条（32），并构成移动副；所述定子组件（1）介于下层板（21）与上层板（22）之间，并通过螺钉连接在支座组件（3）上的凸台（311）上；定子组件（1）上层体上的四个驱动足（13）连接上层板（22）的下表面，下层体上的四个驱动足（13）连接下层板（21）的上表面；通过调整弹性垫片（25）的压紧程度可调节定位平台（2）与定子组件（1）之间的预压力。
3.根据权利要求1或2所述的叠层八杆型压电定子推动的直线电机，其特征在于：电机工作模态包括定子组件的双重积分符形模态和双夹钳形模态，所述的双重积分符形模态指定子的振动仅发生在上层体、下层体所处平面内，并且各层体的两竖杆弯曲形态完全一致；所述双夹钳形模态是指定子的振动发生在两层体所处平面之外，并且两层体结构各竖杆的上、下部分的弯曲形态正好相反，其中双夹钳形模态用以实现驱动足（13）交替的保持与定位平台（2）的接触或分离，双重积分符形模态用以实现驱动足（13）交替的推动定位平台（2）移动。
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