CN112260578A - 一种低压驱动v形直线超声电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低压驱动V形直线超声电机，包括定子以及动子；所述动子包括滑块，所述定子包括两个兰杰文振子，所述两个兰杰文振子头部连为一体，形成一个V形结构，其中，所述两个兰杰文振子的头部外侧棱互相重合，从而在连接部的最前端形成一个侧棱形状的驱动足；所述超声电机还包括用于防止所述定子在垂直于滑块运动的方向蹿动的限位结构，该限位结构设置在定子基座上；其中，所述限位结构包括限位板，该限位板通过固定柱固定在定子基座上，所述兰杰文振子位于限位板与定子基座之间。本发明公开了一种低压驱动V形直线超声电机结构简单，能够实现稳定输出，并且输出效率高。

Description

一种低压驱动V形直线超声电机
技术领域
本发明涉及超声电机，具体涉及一种低压驱动V形直线超声电机。
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动力输出装置。目前板结构直线超声电机虽然机构简单，设计灵活，但其效率低，速度销，输出力也小，而在工业机器人领域、航空航天等领域需要具有大输出力、效率高的直线型超声电机。
为了解决上述问题，申请号为200810124426.2的发明专利申请公开了一种基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，包括定子和动子，其中动子为一直线导轨，定子由两个兰杰文振子中心线相互交叉构成，每个兰杰文振子由前端、后端、压电陶瓷片和对应的电极片组成，两个兰杰文振子的头部联为一体，成为驱动足；直线导轨与两个兰杰文振子在一个平面内布置成K字形结构；其特征在于，所述兰杰文振子为杆结构，杆的截面为由后端向前端渐缩的连续截面状。该直线电机能够保持或增大直线电机推力，提高电机的运行速度，但是还存在以下不足：
1、驱动足与动子为面接触，动子多次的往返运动会造成较大的摩擦损耗，不利于电机长时间稳定输出。
2、夹持装置复杂，不能限制非利用方向上的位移，导致效率不高，无法在市场大规模推广。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低压驱动V形直线超声电机，该超声电机结构简单，能够实现稳定输出，并且输出效率高。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
一种低压驱动V形直线超声电机，包括定子以及动子；所述动子包括滑块，所述定子包括两个兰杰文振子，所述两个兰杰文振子头部连为一体，形成一个V形结构，其中，所述两个兰杰文振子的头部外侧棱互相重合，在连接部的最前端形成一个侧棱形状的驱动足；
所述超声电机还包括用于防止所述定子在垂直于滑块运动的方向蹿动的限位结构，该限位结构设置在定子基座上；其中，所述限位结构包括限位板，该限位板通过固定柱固定在定子基座上，所述兰杰文振子位于限位板与定子基座之间。
上述低压驱动V形直线超声电机的工作原理是：
在常态下，两个兰杰文振子处于左右对称状态，定子的驱动足抵紧动子，即驱动足抵紧滑块；在定子激发反对称模态a时，左兰杰文振子伸长且右兰杰文振子收缩到最大位置，驱动足位于最右端；逐渐变化到对称模态b后，两个兰杰文振子同时收缩，此时驱动足与滑块脱离，对滑块不产生驱动作用；激发出反对称模态c后，右兰杰文振子伸长且左兰杰文振子收缩到最大位置，驱动足位于最左端，此时驱动足仍然与滑块脱离，对滑块不产生驱动作用；激发出对称模态d后，两个兰杰文振子同时伸长，在此变化过程中，驱动足与滑块接触，在摩擦力的作用下，驱动足驱动滑块向右移动一段距离；随后再次激发反对称模态a，左兰杰文振子伸长且右兰杰文振子收缩，驱动足再次驱动滑块向右移动一段距离。在一个周期中，驱动足的轨迹是一个椭圆，而滑块则完成了一次直线运动；通过将驱动足设置成一个侧棱形状，使得驱动足与滑块为线接触，这样驱动足做多次的往返运动产生的摩擦损耗更低，有利于电机长时间稳定输出；通过设置限位结构，将兰杰文振子限制在限位板以及定子基座之间，通过限制兰杰文振子在垂直于滑块运动的方向上的蹿动，使得兰杰文振子产生的能量只能输出到滑块上，减少了能量损耗，提高了电机的输出效率。
本发明的一个优选方案，所述每个兰杰文振子包括成方柱体结构的前端盖、成长方体结构的后端盖、压电陶瓷片以及电极片，所述前端盖的截面向前逐渐减小；所述两个前端盖的头部连成一体，构成V形结构。
本发明的一个优选方案，所述两个前端盖的头部通过柔性铰链连为一体。
本发明的一个优选方案，所述前端盖上沿轴线方向设有螺纹孔，所述后端盖上沿轴线方向设有通孔；所述压电陶瓷片以及电极片安装在前端盖与后端盖之间，所述前端盖、压电陶瓷、电极片以及后端盖通过锁紧螺栓连接；其中，所述压电陶瓷片和电极片的排列方式如下：压电陶瓷片在沿轴线方向以同极性侧面相对叠放，电极片分别设置在每片压电陶瓷片的两侧形成高频交流激励电极。
优选地，所述压电陶瓷片的材料为PZT-8。
本发明的一个优选方案，所述限位结构还包括弹性垫片，所述弹性垫片设置在所述前端盖的顶面以及底面上。
本发明的一个优选方案，还包括自适应弹力结构，所述自适应弹力结构包括靠近后端盖设置的固定柱以及弹性片，其中所述固定柱有两组，两组固定柱对称设置在后端盖两侧；所述弹性片的两端分别安装在两组固定柱上，弹性片的一面贴紧所述兰杰文振子的尾端。
本发明的一个优选方案，所述动子为一个VRU6-210滑台，其中所述滑台的工作台构成了所述滑块。
优选地，所述滑块上设有摩擦结构，所述摩擦结构包括陶瓷条，所述陶瓷条安装在滑块上靠近驱动足的一侧。
本发明的一个优选方案，还包括试验台、定子基座以及用于限制定子基座沿滑轨方向移动的固定结构；其中，所述定子左右对称设置在所述定子基座上；所述滑台基座以及定子基座均沿左右方向安装在所述试验台上，滑台基座与定子基座在试验台面上平行设置；所述固定结构包括两组固定板，所述两组固定板分别抵紧所述定子基座的左端与右端。
优选地，所述固定板为L形固定板，所述L形固定板一端固定在所述试验台上，另一端抵紧所述定子基座的端面。
本发明的一个优选方案，还包括用于使定子对动子产生预压力的预紧装置，所述预紧装置包括预紧支架、调节螺栓以及复位弹簧；所述预紧支架安装在试验台上，且位于定子基座远离动子的一侧；所述调节螺栓沿前后方向安装在所述预紧支架上，所述调节螺栓一端抵紧所述定子基座；所述复位弹簧套设在螺栓上，一端抵紧预紧支架，另一端抵紧螺栓头。
优选地，所述限位板为透明的亚克力板。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
1、本发明的低压驱动V形直线超声电机，包括定子、动子以及用于限制所述定子在竖直方向运动的限位结构；其中，动子包括滑块，定子包括两个兰杰文振子，所述两个兰杰文振子的一端连接；所述每个兰杰文振子包括成方柱体结构的前端盖、成长方体结构的后端盖，所述两个前端盖的头部连为一体，形成一个V形结构，所述两个前端盖的头部外侧棱互相重合，从而在连接部的最前端形成一个侧棱形状的驱动足，这样驱动足与滑块为线接触，这样驱动足做多次的往返运动产生的摩擦损耗更低，有利于电机长时间稳定输出。
2、本发明的低压驱动V形直线超声电机，包括定子、动子以及用于限制所述定子在竖直方向运动的限位结构；其中，所述限位结构包括设置在所述前端盖顶面上的弹性垫片、设置在所述弹性垫片上的限位板以及用于安装所述限位板的固定柱，限位板通过限制住弹性垫圈在竖直方向上的运动从而限制住兰杰文振子在竖直方向上的运动，使得兰杰文振子产生的能量只能输出到滑块上，减少了能量损耗，提高了电机的输出效率。
附图说明
图1为本发明的低压驱动V形直线超声电机的俯视图。
图2为本发明的低压驱动V形直线超声电机一个视角的立体图。
图3为本发明的低压驱动V形直线超声电机的定子其中一个视角的立体图。
图4为本发明的低压驱动V形直线超声电机的定子在一个周期中的运动示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
参见图1-图3，本发明的一种低压驱动V形直线超声电机，包括定子以及动子；所述动子包括滑块，所述定子包括两个兰杰文振子，所述两个兰杰文振子头部连为一体，形成一个V形结构，其中，所述两个兰杰文振子的头部外侧棱互相重合，在连接部的最前端形成一个侧棱形状的驱动足8；
所述超声电机还包括用于防止所述定子在垂直于滑块运动的方向蹿动的限位结构，该限位结构设置在定子基座上；其中，所述限位结构包括限位板12，该限位板通过固定柱13固定在定子基座上，所述兰杰文振子位于限位板12与定子基座之间。
参见图1-图3，所述每个兰杰文振子包括成方柱体结构的前端盖、成长方体结构的后端盖、压电陶瓷片以及电极片，所述前端盖的截面向前逐渐减小；所述两个前端盖的头部连成一体，构成V形结构。通过将前端盖的截面设置为逐渐变小的结构，使得超声能量集中到前端较小的面积上，形成聚能作用，从而提高电机的输出效率。
参见图1-图3，所述两个前端盖4的头部通过柔性铰链连为一体。这样，可以使得定子在驱动足8处的弯矩减小，确保定子处于对称模态以及反对称模态时的振动频率保持一致性。
参见图1-图3，所述前端盖4上沿轴线方向设有螺纹孔，所述后端盖5上沿轴线方向设有通孔；所述压电陶瓷片6以及电极片7安装在前端盖4与后端盖5之间，所述前端盖4、压电陶瓷、电极片7以及后端盖5通过锁紧螺栓16连接；其中，所述压电陶瓷片6和电极片7的排列方式如下：压电陶瓷片6在沿轴线方向以同极性侧面相对叠放，电极片7分别设置在每片压电陶瓷片6的两侧形成高频交流激励电极。压电陶瓷片6以及电极片7上均设有通孔，锁紧螺栓16从后端盖5的通孔内进入，并穿过压电陶瓷片6以及电极片7上的通孔与前端盖4螺纹连接，从而将后端盖5、压电陶瓷片6、电极片7以及前端盖4安装在在一起；压电陶瓷片6和电极片7的排列方式为：压电陶瓷片6在轴线方向以同极性侧面相对叠放，所述电极片7分别设置在压电陶瓷片6的两侧形成高频交流激励电极，例如，第一与第二片正极相对，第二与第三片负极相对，第三与第四片正极相对，第四与第五片负极相对，以此类推；电极片7的一侧设有引脚，在装配时，对应极性的引脚朝向同一个方向安装。
参见图1-图3，所述压电陶瓷片6的材料为PZT-8。PZT-8介电常数小，机械耦合效率高，温度损耗低，从而能够提高电机的输出效率；另一方面，PZT-8的强度高，在机械装配的过程中不易损坏。
参见图1-图3，所述限位结构还包括弹性垫片，所述弹性垫片设置在所述前端盖的顶面以及底面上。通过设置上述弹性垫片，弹性垫片分别与限位板以及定子基座接触，一方面，限位板通过弹性垫片限制兰杰文振子在垂直于滑块的方向上的蹿动，避免限位板与兰杰文振子的摩擦；另一方面，通过设置弹性垫片，在兰杰文振子与限位板之间、在兰杰文振子与定子基座之间均可以形成缓冲，防止刚性冲击，增加设备的实用寿命。
参见图1-图3，还包括自适应弹力结构，所述自适应弹力结构包括靠近后端盖5设置的固定柱13以及弹性片14，其中所述固定柱13有两组，两组固定柱13对称设置在后端盖5两侧；所述弹性片14的两端分别安装在两组固定柱13上，弹性片14的一面贴紧所述兰杰文振子的尾端。设置上述自适应弹力结构，在兰杰文振子运动的过程中，弹性片14始终贴紧兰杰文振子的尾端，常态时V形动子是对称结构，工作状态驱动足8位置发生变化，动子处于非对称结构，使得弹性片14对兰杰文振子产生一个跟随定子的变化而变化的作用力，保证驱动足8始终有一个朝向动子方向的力，对兰杰文振子的弯纵振影响降到了最小，从而保证电机的稳定工作，提高输出效率。
参见图1-图3，所述动子为一个VRU6-210滑台，其中所述滑台的工作台构成了所述滑块9。这样，滑块9安装在滑台基座的滑轨上，滑块9能够相对滑台基座做直线运动，当驱动足8驱动滑块9移动时，滑块9做直线运动，从而输出动力。
参见图1-图3，所述滑块9上设有摩擦结构，所述摩擦结构包括陶瓷条10，所述陶瓷条10安装在滑块9上靠近驱动足8的一侧。通过设置上述摩擦结构，驱动足8与所述陶瓷条10线接触，驱动足8通过驱动陶瓷条10从而驱动滑块9做直线运动，这样，陶瓷条10避免了驱动足8与滑块9的直接接触，对滑块9起到安全保护的作用。
参见图1-图3，还包括试验台1、定子基座2以及用于限制定子基座2沿滑轨方向移动的固定结构；其中，所述定子左右对称设置在所述定子基座2上；所述滑台基座以及定子基座2均沿左右方向安装在所述试验台1上，滑台基座与定子基座2在试验台1面上平行设置；所述固定结构包括两组固定板3，所述两组固定板3分别抵紧所述定子基座2的左端与右端。通过将定子左右对称设置在定子基座2上，且定子基座2与滑台基座均沿左右方向安装在所述试验台1上，这样，驱动足8在定子基座2所在的平面形成所述椭圆轨迹，并且椭圆的长轴平行于滑块9的运动方向，使得驱动足8在运动的过程可以驱动滑块9做直线运动；在定子驱动滑块9运动的过程中，滑块9对定子产生的作用力同时对定子基座2在左右方向上产生作用力，通过设置固定结构，两组固定板3分别抵紧定子基座2的左右两端，能够防止定子基座2在左右方向上的移动。
参见图1-图3，所述固定板3为L形固定板3，所述L形固定板3一端固定在所述试验台1上，另一端抵紧所述定子基座2的端面。通过设置上述L形固定板3，结构简单，制造方便，有利于大规模生产，能够有效地降低制造成本。
参见图1-图3，还包括用于使定子对动子产生预压力的预紧装置，所述预紧装置包括预紧支架15、调节螺栓以及复位弹簧；所述预紧支架15安装在试验台1上，且位于定子基座2远离动子的一侧；所述调节螺栓沿前后方向安装在所述预紧支架15上，所述调节螺栓一端抵紧所述定子基座2；所述复位弹簧套设在螺栓上，一端抵紧预紧支架15，另一端抵紧螺栓头。设置上述预紧装置，调节螺栓抵紧定子基座2，拧紧调节螺栓时，调节螺栓推动定子基座2向动子的方向移动，使得安装在定子基座2上的定子往前移动，这样定子与动子之间就产生了一个预压力，驱动足8与所述陶瓷条10之间能够产生摩擦力。
参见图1-图3，所述限位板12为透明的亚克力板。将限位板12设置成透明的亚克力板，可以透过亚克力板观察定子的运动情况，便于了解超声电机的运动状态。
具体地，设计的V形振子驱动足8在空间上做椭圆运动，推导如下：
设在梁1(振子1)上施加激励信号对应的振动位移响应函数为：
X(t)＝Asin(ωt+α) (1)
设在梁2(振子2)上施加激励信号对应的振动位移响应函数为：
Y(t)＝Bsin(ωt+β) (2)
其中，A、B为对应压电陶瓷的位移响应幅值，α、β为对应激励响应的相位角。将式(1)和(2)中的参数t消去
结合公式：
sin2(ωt)+cos2(ωt)＝1 (3)
可得：
Figure BDA0002661979590000091
当激励信号相位差为90°时，也就是β-α＝π/2时，式(4)为：
Figure BDA0002661979590000092
可以看出上式是一个标准的椭圆方程。当对振子上的两组压电陶瓷施加相位差为π/2的驱动电压时，这两组压电陶瓷的位移响应在空间上形成90°相位差，就可以在驱动足8处形成椭圆运动轨迹。
参见图4，上述低压驱动V形直线超声电机的工作原理是：
在常态下，两个兰杰文振子处于左右对称状态，定子的驱动足8抵紧动子，即驱动足8抵紧滑块9；在定子激发反对称模态a时，左兰杰文振子伸长且右兰杰文振子收缩到最大位置，驱动足8位于最右端；逐渐变化到对称模态b后，两个兰杰文振子同时收缩，此时驱动足8与滑块9脱离，对滑块9不产生驱动作用；激发出反对称模态c后，右兰杰文振子伸长且左兰杰文振子收缩到最大位置，驱动足8位于最左端，此时驱动足8仍然与滑块9脱离，对滑块9不产生驱动作用；激发出对称模态d后，两个兰杰文振子同时伸长，在此变化过程中，驱动足8与滑块9接触，在摩擦力的作用下，驱动足8驱动滑块9向右移动一段距离；随后再次激发反对称模态a，左兰杰文振子伸长且右兰杰文振子收缩，驱动足8再次驱动滑块9向右移动一段距离。在一个周期中，驱动足8的轨迹是一个椭圆，而滑块9则完成了一次直线运动；通过将驱动足8设置成一个侧棱形状，使得驱动足8与滑块9为线接触，这样驱动足8做多次的往返运动产生的摩擦损耗更低，有利于电机长时间稳定输出；通过设置限位结构，将兰杰文振子限制在限位板12以及定子基座之间，通过限制住兰杰文振子在垂直于滑块运动的方向的蹿动运动，使得兰杰文振子产生的能量只能输出到滑块9上，减少了能量损耗，提高了电机的输出效率。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，包括定子以及动子；所述动子包括滑块，所述定子包括两个兰杰文振子，所述两个兰杰文振子头部连为一体，形成一个V形结构，其中，所述两个兰杰文振子的头部外侧棱互相重合，在连接部的最前端形成一个侧棱形状的驱动足；
所述超声电机还包括用于防止所述定子在垂直于滑块运动的方向蹿动的限位结构，该限位结构设置在定子基座上；其中，所述限位结构包括限位板，该限位板通过固定柱固定在定子基座上，所述兰杰文振子位于限位板与定子基座之间。
2.根据权利要求1所述的一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，所述每个兰杰文振子包括成方柱体结构的前端盖、成长方体结构的后端盖、压电陶瓷片以及电极片，所述前端盖的截面向前逐渐减小；所述两个前端盖的头部连成一体，构成V形结构。
3.根据权利要求2所述的一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，所述两个前端盖的头部通过柔性铰链连为一体。
4.根据权利要求2所述的一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，所述前端盖上沿轴线方向设有螺纹孔，所述后端盖上沿轴线方向设有通孔；所述压电陶瓷片以及电极片安装在前端盖与后端盖之间，所述前端盖、压电陶瓷、电极片以及后端盖通过锁紧螺栓连接；其中，所述压电陶瓷片和电极片的排列方式如下：压电陶瓷片在沿轴线方向以同极性侧面相对叠放，电极片分别设置在每片压电陶瓷片的两侧形成高频交流激励电极。
5.根据权利要求2所述的一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，所述限位结构还包括弹性垫片，所述弹性垫片设置在所述前端盖的顶面以及底面上。
6.根据权利要求2所述的一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，还包括自适应弹力结构，所述自适应弹力结构包括靠近后端盖设置的固定柱以及弹性片，其中所述固定柱有两组，两组固定柱对称设置在后端盖两侧；所述弹性片的两端分别安装在两组固定柱上，弹性片的一面贴紧所述兰杰文振子的尾端。
7.根据权利要求1所述的一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，所述动子为一个VRU6-210滑台，其中所述滑台的工作台构成了所述滑块。
8.根据权利要求7所述的一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，所述滑块上有摩擦结构，所述摩擦结构包括陶瓷条，所述陶瓷条安装在滑块上靠近驱动足的一侧。
9.根据权利要求2所述的一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，还包括试验台、定子基座以及用于限制定子基座沿滑轨方向移动的固定结构；其中，所述定子左右对称设置在所述定子基座上；所述滑台基座以及定子基座均沿左右方向安装在所述试验台上，滑台基座与定子基座在试验台面上平行设置；所述固定结构包括两组固定板，所述两组固定板分别抵紧所述定子基座的左端与右端。
10.根据权利要求9所述的一种低压驱动V形直线超声电机，其特征在于，还包括用于使定子对动子产生预压力的预紧装置，所述预紧装置包括预紧支架、调节螺栓以及复位弹簧；所述预紧支架安装在试验台上，且位于定子基座远离动子的一侧；所述调节螺栓沿前后方向安装在所述预紧支架上，所述调节螺栓一端抵紧所述定子基座；所述复位弹簧套设在螺栓上，一端抵紧预紧支架，另一端抵紧螺栓头。
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