CN112054714A - 基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机 - Google Patents

基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，包括定子单元和动子单元，定子单元包括金属弹性体、端部斜压电陶瓷、左上驱动足、右上驱动足、左下驱动足和右下驱动足，左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷的截面为平行四边形，左上驱动足和左下驱动足上下对称设于金属弹性体的三阶弯振左侧振幅最大处，右上驱动足和右下驱动足上下对称设于金属弹性体的三阶弯振右侧振幅最大处；通过依靠端部异向偏心约束，使定子单元产生一阶纵振与三阶弯振的耦合模态振型，因此不需要进行模态简并。同时利用端部斜压电陶瓷的纵振和扭振，共同激发金属弹性体一纵三弯的耦合模态振型。该电机结构紧凑且设计较为简洁。

Description

基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机
技术领域
本发明涉及一种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机。
背景技术
对于直线式驻波型超声波电机，可分为单模态直线型超声波电机与多模态直线型超声波电机。对于多模态直线型超声波电机，目前较多的为纵-弯复合、纵-纵复合、纵-扭复合、弯-弯复合，并且研究已经较为完善。但目前的这些复合型直线超声波电机需要调节定子单元的尺寸以拉近两种工作所需的振动模态的频率实现模态简并，从而在同一频率下同时激发两种工作模态形成一种复合模态，因此设计较为复杂。
上述问题是在基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机解决现有技术中存在的需要调节定子单元的尺寸以拉近两种工作所需的振动模态的频率实现模态简并，从而在同一频率下同时激发两种工作模态形成一种复合模态，导致结构设计复杂的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，包括定子单元和动子单元，动子单元包括上动子和下动子，上动子和下动子分别设于定子单元的两侧，定子单元包括金属弹性体、端部斜压电陶瓷、左上驱动足、右上驱动足、左下驱动足和右下驱动足，端部斜压电陶瓷包括左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷，金属弹性体的两端分别设有左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷，左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷的截面为平行四边形，金属弹性体的上侧面分别设有左上驱动足和右上驱动足，金属弹性体的下侧面分别设有左下驱动足和右下驱动足，左上驱动足和左下驱动足上下对称设于金属弹性体的三阶弯振左侧振幅最大处，右上驱动足和右下驱动足上下对称设于金属弹性体的三阶弯振右侧振幅最大处。
进一步地，左端斜压电陶瓷的右侧面粘贴金属弹性体，左端斜压电陶瓷的左侧面形成固定面，右端压电陶瓷的左侧面粘贴金属弹性体，右端压电陶瓷的右侧面形成固定面；左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷的极化方向均竖直向上，施加电压激励的面均为固定面，分别在左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷的固定面施加相同电压，端部斜压电陶瓷的内部产生与端部斜压电陶瓷斜向平行的电场，端部斜压电陶瓷均发生纵振和扭振，进而共同激发金属弹性体的一纵三弯的耦合振动。
进一步地，左上驱动足和左下驱动足分别上下对称粘贴于定子单元三阶弯振左侧振幅最大处，右上驱动足和右下驱动足分别上下对称粘贴于定子单元三阶弯振右侧振幅最大处。
进一步地，上动子放置于右上驱动足和左上驱动足的共同上方，下动子放置于右下驱动足和左下驱动足的共同下方，对斜压电陶瓷的固定端面施加激励电压，动子发生双向移动。
进一步地，该异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机采用双向直线型，上动子、下动子和金属弹性体均采用直线形。
进一步地，该异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机采用双旋式，上动子和下动子均采用圆环形，上动子和下动子间设有用于供电和固定的支架，支架包括绝缘套环和铜棒，绝缘套环设有若干铜棒，相邻的铜棒间设有定子单元，定子单元的金属弹性体采用圆弧形金属弹性体，左端斜压电陶瓷的固定面和右端斜压电陶瓷的固定面分别粘接在相邻的铜棒上。
进一步地，通过支架在端部压电陶瓷固定端施加相同电压，端部压电陶瓷内部产生与端部压电陶瓷斜向平行的电场，端部压电陶瓷发生纵振和扭振，进而共同激发圆金属弹性体的一纵三弯的耦合振动，多个定子单元通过支架实现周向和轴向并联，共同驱动上动子和下动子双向旋转。
本发明的有益效果是：
一、该种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，通过端部异向偏心约束使定子单元的一阶纵振和三阶弯振耦合在一起，避免了定子单元结构的模态简并设计。因此电机设计简单。
二、本发明采用端部斜向压电陶瓷，仅需一个电源激励以及一种陶瓷结构，即可同时在耦合模态振型的纵向和弯向进行激振，电机结构紧凑。
三、本发明所使用的所有压电陶瓷均布置于定子单元端部，在金属弹性体的上下表面均不布置压电陶瓷，因此在保证电机结构紧凑的同时，可方便地在单一金属弹性体的上下两表面同时布置驱动足，实现上动子和下动子双向运行或内外转子的双向旋转。
四、本发明的双旋式电机可使电机实现无轴承、大并联双旋输出。
附图说明
图1是本发明基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机的双向直线式的结构示意图。
图2是实施例中左端压电陶瓷布置方案的说明示意图。
图3是实施例中右端压电陶瓷布置方案的说明示意图。
图4是实施例中采用双向直线式电机前半周期电机波形产生机理图。
图5是实施例中采用双向直线式电机后半周期电机波形产生机理图。
图6是实施例中基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机的双旋式的结构示意图。
其中：1-上动子，2-下动子，3-右端斜压电陶瓷，4-左端斜压电陶瓷，5-金属弹性体，6-右上驱动足，7-左上驱动足，8-右下驱动足，9-左下驱动足，10-铜棒，11-绝缘套环，P-端部斜压电陶瓷极化方向，ER-右端斜压电陶瓷内部电场方向，EL-左端斜压电陶瓷内部电场方向，V1-上动子运动方向，V2-下动子运动方向，XYZ-空间坐标系，虚线是端部压电陶瓷中电场为零时，电机定子单元形变；除上动子和下动子的实线是端部压电陶瓷施加正值最大电压时，电机定子单元形变。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，如图1，包括定子单元和动子单元，动子单元包括上动子1和下动子2，上动子1和下动子2分别设于定子单元的两侧，定子单元包括金属弹性体5、端部斜压电陶瓷、左上驱动足7、右上驱动足6、左下驱动足9和右下驱动足8，端部斜压电陶瓷包括左端斜压电陶瓷4和右端斜压电陶瓷3，金属弹性体5的两端分别设有左端斜压电陶瓷4和右端斜压电陶瓷3，左端斜压电陶瓷4和右端斜压电陶瓷3的截面为平行四边形，金属弹性体5的上侧面分别设有左上驱动足7和右上驱动足6，金属弹性体5的下侧面分别设有左下驱动足9和右下驱动足8，左上驱动足7和左下驱动足9上下对称设于金属弹性体5的三阶弯振左侧振幅最大处，右上驱动足6和右下驱动足8上下对称设于金属弹性体5的三阶弯振右侧振幅最大处。
该种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，通过依靠端部异向偏心约束，使定子单元产生一阶纵振与三阶弯振的耦合模态振型，因此不需要进行模态简并。同时利用端部斜压电陶瓷的纵振和扭振，共同激发金属弹性体5一纵三弯的耦合模态振型。该电机结构紧凑且设计较为简洁。
该种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，左端斜压电陶瓷4的右侧面粘贴金属弹性体5，左端斜压电陶瓷4的左侧面形成固定面，右端压电陶瓷3的左侧面粘贴金属弹性体5，右端压电陶瓷3的右侧面形成固定面；左端斜压电陶瓷4和右端斜压电陶瓷3的极化方向均竖直向上，施加电压激励的面均为固定面，分别在左端斜压电陶瓷4和右端斜压电陶瓷3的固定面施加相同电压，端部斜压电陶瓷的内部产生与端部斜压电陶瓷斜向平行的电场，端部斜压电陶瓷均发生纵振和扭振，进而共同激发金属弹性体的一纵三弯的耦合振动。
右上驱动足6和右下驱动足8上下对称粘贴于定子单元三阶弯振右侧振幅最大处，左上驱动足7和左下驱动足9上下对称粘贴于定子单元三阶弯振左侧振幅最大处。右下驱动足8和左下驱动足9粘贴于金属弹性体5下表面，右上驱动足6和左上驱动足7粘贴于金属弹性体5上表面。上动子1放置于右上驱动足6和左上驱动足7上方，下动子2放置于右下驱动足8和左下驱动足9下方。对右端斜压电陶瓷3和左端斜压电陶瓷4的固定端施加激励电压，上动子1与下动子2发生双向移动。
该种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，当金属弹性体5和动子为直线式时，上动子1和下动子2可双向直线运行；当金属弹性体5为圆弧型、动子为圆周型转子时，内外转子可双向旋转，实现双旋式电机。
如图2，左端斜压电陶瓷4处于笛卡尔坐标系XYZ中，极化方向为Z轴正方向。当电机工作于一阶纵振与三阶弯振耦合振动模态时，在左端斜压电陶瓷4固定端面间施加高频交流谐振电压，左端斜压电陶瓷4内部产生右斜向上的倾斜方向电场EL。由于逆压电效应，左端斜压电陶瓷4发生纵振和扭振。
如图3，右端斜压电陶瓷3处于笛卡尔坐标系XYZ中，极化方向为Z正方向。当电机工作于一阶纵振与三阶弯振耦合振动模态时，在右端斜压电陶瓷3固定端面间施加高频交流谐振电压，右端斜压电陶瓷3内部产生左斜向下的倾斜方向电场ER。由于逆压电效应，右端斜压电陶瓷3发生纵振和扭振。
如图4，基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，电机为双向直线式，其前半周期波形产生机理为：在前半周期，右端斜压电陶瓷3内部斜向电场ER的方向为左下方向，左端斜压电陶瓷4内部斜向电场EL的方向为右上方向。在电场ER作用下，右端斜压电陶瓷3在X轴方向向左伸张，在Z轴方向向上扭转，带动金属弹性体5右端向上和向左运动；在电场EL作用下，左端斜压电陶瓷4在X轴方向向左收缩，在Z轴方向向上扭转，带动金属弹性体5左端向上和向左运动。由于电源频率为定子单元的纵弯耦合模态频率，因此金属弹性体5发生一阶纵振和三阶弯振的耦合振动。
结合附图4，电机前半周期驱动足的运动机理如下：
第Ⅰ阶段：电机由初始水平状态如图4中虚线所示运动到如图4中实线所示的振幅最大状态，此过程中，右上驱动足6、左上驱动足7、右下驱动足8和左下驱动足9的顶部运动轨迹均为左斜向上，对下动子2产生向左方向的推力，对上动子1产生向左方向的推力。
第Ⅱ阶段：电机的振幅最大状态如图4中实线所示回到水平状态如图4中虚线所示，此过程中，右上驱动足6、左上驱动足7、右下驱动足8和左下驱动足9的顶部运动轨迹为右斜向下，对下动子2产生向右方向的推力，对上动子1产生向右方向的推力。
由于下动子2的惯性以及右下驱动足8和左下驱动足9的形变，右下驱动足8和左下驱动足9与下动子2接触的时间和摩擦力在Ⅰ阶段均小于Ⅱ阶段，因此右下驱动足8和左下驱动足9在前半周期对下动子2的总推力为向右方向。由于上动子1的惯性以及右上驱动足6、左上驱动足7的形变，右上驱动足6、左上驱动足7与上动子1接触的时间和摩擦力在Ⅰ阶段均大于Ⅱ阶段，因此上驱动足在前半周期对上动子1的总推力为向左方向。
如图5，基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，电机为双向直线式，其后半周期波形产生机理为：在后半周期，右端斜压电陶瓷3内部斜向电场ER的方向为右上方向，左端斜压电陶瓷4内部斜向电场EL的方向为左下方向。在电场ER作用下，右端斜压电陶瓷3在X轴方向向右收缩，在Z轴方向向下扭转，带动金属弹性体5右端向下和向右运动；在电场EL作用下，左端斜压电陶瓷4在X轴方向向右伸张，在Z轴方向向下扭转，带动金属弹性体5左端向下和向右运动。由于电源频率为定子单元的纵弯耦合模态频率，因此金属弹性体5发生一阶纵振和三阶弯振的耦合振动。
结合附图5，电机后半周期驱动足的运动机理如下：
第Ⅲ阶段：电机由初始水平状态如图5中虚线所示运动到振幅最大状态如图5中虚线所示，此过程中，右上驱动足6、左上驱动足7、右下驱动足8和左下驱动足9的顶部运动轨迹均为右斜向下，对下动子2产生向右方向的推力，对上动子1产生向右方向的推力。
第Ⅳ阶段：电机振幅最大状态如图5中实线所示回到水平状态如图5中虚线所示，此过程中，右上驱动足6、左上驱动足7、右下驱动足8和左下驱动足9的顶部运动轨迹为左斜向上，对下动子2产生向左方向的推力，对上动子1产生向左方向的推力。
由于下动子2的惯性以及右下驱动足8和左下驱动足9的形变，右下驱动足8和左下驱动足9与下动子2接触的时间和摩擦力在Ⅲ阶段均大于Ⅳ阶段，因此右下驱动足8和左下驱动足9在后半周期对下动子2的总推力为向右方向。由于上动子1的惯性以及右上驱动足6、左上驱动足7的形变，右上驱动足6、左上驱动足7与上动子1接触的时间和摩擦力在Ⅲ阶段均小于Ⅳ阶段，因此右上驱动足6、左上驱动足7在后半周期对上动子1的总推力为向左方向。
综合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个运动阶段，上动子1的运动方向为左方向，下动子2的运动方向为右方向。
如图6，基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，电机为双旋式，金属弹性体5为圆弧型金属弹性体5，金属弹性体5左端粘贴左端斜压电陶瓷4，金属弹性体5右端粘贴右端斜压电陶瓷3。金属弹性体5的内表面布置右下驱动足8和左下驱动足9，金属弹性体5的外表面布置右上驱动足6和左上驱动足7。右下驱动足8和左下驱动足9分别布置于定子单元三阶弯振第一和第三最大振幅处，右上驱动足6和左上驱动足7布置于定子单元三阶弯振第一和第三最大振幅处。金属弹性体5、左端偏置压电陶瓷、右端偏置压电陶瓷、右上驱动足6、左上驱动足7、右下驱动足8和左下驱动足9共同构成定子单元。利用铜棒10对定子单元端部进行固定和施加电压，铜棒10外端固定并接电源，绝缘套环11布置于上动子1与下动子2间的铜棒10上，帮助加强铜棒10的稳定性。圆周方向上在不同的两根铜棒10间可布置多个定子单元形成定子单元周向并联；轴方向上在相同的两根铜棒10之间也可布置多个定子单元形成定子单元的轴向并联。下动子2即内转子放置于右下驱动足8和左下驱动足9内部、上动子1即外转子放置于右上驱动足6和左上驱动足7外部。每个圆弧型定子单元的工作机理类似于双向直线式超声波电机，圆弧型定子单元将直线式电机的直线运动转化为旋转运动，所有定子单元共同驱动内转子与外转子双向旋转。
如图6，利用支架将多个圆弧型定子单元在周向和轴向并联固定，并为定子单元供电，动子单元采用内外圆周式双转子。圆弧型定子单元是由双向直线式定子单元弯曲而成，除金属弹性体5由直线式变成圆弧式以外，驱动足和端部斜压电陶瓷的形状、结构、相对位置均不变。内转子位于圆弧型定子单元的内部，外转子位于圆弧型定子单元的外部。在支架上施加相同的电压，所有斜压电陶瓷内部均产生斜向电场，斜压电陶瓷同时发生纵振和扭振，所有定子单元同步发生一纵三弯的耦合模态的振动，共同驱动内转子和外转子双向旋转。
该种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，具有双向直线式和双旋式两种。两者采用相同的端部斜压电陶瓷，对端部斜压电陶瓷施加斜向平行的电场，端部斜压电陶瓷同时发生纵振和扭振，共同激发金属弹性体5一纵三弯的耦合模态振型。结合金属弹性体5和驱动足的设计，可实现电机的双向直线式运行或双旋式运行。双向直线式采用直线式金属弹性体5和直线式动子；双旋式由多个定子单元周向并联和轴向并联而成，其动子为圆周型转子，定子单元采用圆弧型金属弹性体5。
该种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，通过端部异向偏心约束使定子单元的一阶纵振和三阶弯振耦合在一起，避免了定子单元结构的模态简并设计。因此电机设计简单。通过采用端部斜向压电陶瓷，仅需一个电源激励以及一种陶瓷结构，即可同时在耦合模态振型的纵向和弯向进行激振，电机结构紧凑。
该种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，所使用的所有压电陶瓷均布置于定子单元端部，在金属弹性体5的上下表面均不布置压电陶瓷，因此在保证电机结构紧凑的同时，能够方便地在单一金属弹性体5的上下两表面同时布置驱动足，实现上动子1和下动子2双向运行或内外转子的双向旋转。本发明的双旋式电机可使电机实现无轴承、大并联双旋输出。

Claims (7)

1.一种基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，包括定子单元和动子单元，动子单元包括上动子和下动子，上动子和下动子分别设于定子单元的两侧，其特征在于：定子单元包括金属弹性体、端部斜压电陶瓷、左上驱动足、右上驱动足、左下驱动足和右下驱动足，端部斜压电陶瓷包括左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷，金属弹性体的两端分别设有左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷，左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷的截面为平行四边形，金属弹性体的上侧面分别设有左上驱动足和右上驱动足，金属弹性体的下侧面分别设有左下驱动足和右下驱动足，左上驱动足和左下驱动足上下对称设于金属弹性体的三阶弯振左侧振幅最大处，右上驱动足和右下驱动足上下对称设于金属弹性体的三阶弯振右侧振幅最大处。
2.如权利要求1所述的基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，其特征在于：左端斜压电陶瓷的右侧面粘贴金属弹性体，左端斜压电陶瓷的左侧面形成固定面，右端压电陶瓷的左侧面粘贴金属弹性体，右端压电陶瓷的右侧面形成固定面；左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷的极化方向均竖直向上，施加电压激励的面均为固定面，分别在左端斜压电陶瓷和右端斜压电陶瓷的固定面施加相同电压，端部斜压电陶瓷的内部产生与端部斜压电陶瓷斜向平行的电场，端部斜压电陶瓷均发生纵振和扭振，进而共同激发金属弹性体的一纵三弯的耦合振动。
3.如权利要求2所述的基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，其特征在于：左上驱动足和左下驱动足分别上下对称粘贴于定子单元三阶弯振左侧振幅最大处，右上驱动足和右下驱动足分别上下对称粘贴于定子单元三阶弯振右侧振幅最大处。
4.如权利要求3所述的基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，其特征在于：上动子放置于右上驱动足和左上驱动足的共同上方，下动子放置于右下驱动足和左下驱动足的共同下方，对斜压电陶瓷的固定端面施加激励电压，动子发生双向移动。
5.如权利要求1-4任一项所述的基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，其特征在于：该异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机采用双向直线型，上动子、下动子和金属弹性体均采用直线形。
6.如权利要求1-4任一项所述的基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，其特征在于：该异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机采用双旋式，上动子和下动子均采用圆环形，上动子和下动子间设有用于供电和固定的支架，支架包括绝缘套环和铜棒，绝缘套环设有若干铜棒，相邻的铜棒间设有定子单元，定子单元的金属弹性体采用圆弧形金属弹性体，左端斜压电陶瓷的固定面和右端斜压电陶瓷的固定面分别粘接在相邻的铜棒上。
7.如权利要求6所述的基于异向偏心约束和斜压电陶瓷的耦合模态型超声波电机，其特征在于：通过支架在端部压电陶瓷固定端施加相同电压，端部压电陶瓷内部产生与端部压电陶瓷斜向平行的电场，端部压电陶瓷发生纵振和扭振，进而共同激发圆金属弹性体的一纵三弯的耦合振动，多个定子单元通过支架实现周向和轴向并联，共同驱动上动子和下动子双向旋转。
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郭海训等: "大力矩纵扭复合型超声波电机的理论及实验研究", 《电工技术学报》 *

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