CN113708660B - 一种高速谐振冲击式压电电机 - Google Patents
一种高速谐振冲击式压电电机 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113708660B CN113708660B CN202111001607.8A CN202111001607A CN113708660B CN 113708660 B CN113708660 B CN 113708660B CN 202111001607 A CN202111001607 A CN 202111001607A CN 113708660 B CN113708660 B CN 113708660B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- friction
- vibrator driving
- driving source
- stator
- displacement amplification
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims abstract description 137
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims abstract description 30
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 119
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 63
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 63
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 8
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 5
- QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N (r)-(6-ethoxyquinolin-4-yl)-[(2s,4s,5r)-5-ethyl-1-azabicyclo[2.2.2]octan-2-yl]methanol;hydrochloride Chemical compound Cl.C([C@H]([C@H](C1)CC)C2)CN1[C@@H]2[C@H](O)C1=CC=NC2=CC=C(OCC)C=C21 QNRATNLHPGXHMA-XZHTYLCXSA-N 0.000 claims description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 3
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 abstract description 15
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000026058 directional locomotion Effects 0.000 abstract description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 241000256247 Spodoptera exigua Species 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/021—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors using intermittent driving, e.g. step motors, piezoleg motors
- H02N2/025—Inertial sliding motors
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/04—Constructional details
- H02N2/043—Mechanical transmission means, e.g. for stroke amplification
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
- H02N2/06—Drive circuits; Control arrangements or methods
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
本发明公开了一种高速谐振冲击式压电电机，包括定子、动子、第一振子驱动机构和第二振子驱动机构，定子固定在两个振子驱动机构的中间位置上作为输出端，在定子的表面形成准锯齿波振动，动子为交叉滚柱滑台，固定在一维微调平台上，动子的前侧通过摩擦界面与定子相互接触产生摩擦力形成粘滑效应，并由此驱动动子作定向运动。本发明通过跨频段激励实现高速和高分辨率兼顾的跨尺度输出，能有效提高冲击式压电电机的工作频率和输出速度，利于大功率输出，适合高速运动。
Description
技术领域
本发明属于压电电机技术领域，更具体地说是涉及一种谐振冲击式压电电机。
背景技术
压电电机利用压电材料的逆压电效应，对其施加电压产生微形变实现电机运动，具有响应时间快，无电磁干扰等优点，广泛应用于机器人、航天和医疗等领域。目前多种类型的压电电机中主要有谐振式和准静态两大类。
谐振式压电电机主要指超声电机，是利用定子在超声频段内产生高频椭圆运动，通过摩擦耦合将定子椭圆运动转化为动子的连续直线或者旋转输出，进而实现电能向机械能的转化。因工作频率较高，超声电机速度相对较高，但摩擦损耗较大。准静态压电电机是利用非正弦电压驱动，通过对电压参数的控制或机械结构的设计实现动子连续直线或旋转输出。根据工作原理不同，准静态压电电机可分为尺蠖式和惯性冲击式。尺蠖式电机工作原理是通过压电驱动单元与夹紧单元的交替配合，将压电元件的单步微位移不断累积形成连续的位移输出。惯性冲击式压电电机的工作原理是利用定子与动子之间的静摩擦力和惯性力实现动子运动。准静态压电电机可以实现高分辨率大行程输出，因工作频率较低，准静态压电电机速度较低，大多低于20mm/s。比如：南京航空航天大学时运来等基于双向螺旋箝位原理提出的尺蠖式电机的最高速度为2.58mm/s；吉林大学的李建平等利用平行四边形柔性铰链结构实现的冲击式压电电机的速度仅为14.25mm/s。
传统的冲击式电机是工作在非谐振频率下，所用的大多数是软陶瓷，可以实现大位移，材料为PZT5的称为软陶瓷，材料为PZT4和PZT8的称为硬陶瓷，它们的主要区别在于机械品质因数不同，软陶瓷的机械品质因数远低于硬陶瓷的机械品质因数，不适合高速运动。
发明内容
本发明是为避免上述现有所述的冲击式压电电机运动速度较低的不足，提供一种谐振冲击式压电电机，基于多频率谐波合成原理对摩擦振子驱动源的多个模态频率进行精确结构设计，实现谐振冲击式压电电机，利用硬陶瓷驱动，大幅提高冲击式压电电机的输出速度。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明高速谐振冲击式压电电机的特点是包括定子、动子，以及两个振子驱动机构，所述两个振子驱动机构分别是第一振子驱动机构和第二振子驱动机构；
所述定子为摩擦振子，固定在两个振子驱动机构的中间位置上作为输出端，在所述定子的表面形成准锯齿波振动；
所述动子为交叉滚柱滑台，动子通过螺栓固定在一维微调平台上；动子的前侧通过摩擦界面与定子相互接触产生摩擦力形成粘滑效应，并由此驱动所述动子作定向运动；
所述第一振子驱动机构是在第一振子座上固定设置第一摩擦振子驱动源，所述第一摩擦振子驱动源由第一位移放大机构、第二位移放大机构和第一压电叠堆构成；所述第一压电叠堆通过初始预紧固定在第一位移放大机构中；
所述第二振子驱动机构是在第二振子座上固定设置第二摩擦振子驱动源，所述第二摩擦振子驱动源由第三位移放大机构、第四位移放大机构和第二压电叠堆构成；所述第二压电叠堆通过初始预紧固定在第三位移放大机构中；
所述第一压电叠堆和第二压电叠堆通过初始预紧工作在受压缩状态下，初始预紧的预紧力为200N-500N；
由所述第二位移放大机构、第四位移放大机构和定子共同构成弹簧质量阻尼系统，其中，第二位移放大机构和第四位移放大机构等效为弹簧，定子等效为质量块，调整弹簧刚度和质量用于实现定子和动子之间阻抗匹配的优化；
按如下控制方法通过跨频段激励实现高速和高分辨率兼顾的跨尺度输出：
给定高频激励信号，使摩擦振子驱动源工作在高频谐振态模式实现高速输出，完成快速粗定位；
给定低频激励信号，使摩擦振子驱动源工作在低频准静态模式实现高分辨率输出，完成高分辨率驱动；
给定直流激励信号，使摩擦振子驱动源工作在直流静态模式下完成高精度微定位。
本发明高速谐振冲击式压电电机的特点也在于：
在所述高频谐振态模式中，两个摩擦振子驱动源的两个模态需要同时被激励出来；摩擦振子驱动源中一阶纵振模态和二阶纵振模态的频率比为1：2；在所述一阶纵振模态下，定子输出端的形变由第一位移放大机构和第三位移放大机构振动产生，并由第二位移放大机构和第四位移放大机构传递位移；在二阶纵振模态下，定子输出端的形变由第二位移放大机构和第四位移放大机构振动产生；第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源由共振频率激励，设置第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的频率为1:2，初始相位差为0°，调节第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的电压幅值比使其机械振动的振幅比为2：1，通过调节相位差，组合摩擦振子驱动源一阶和二阶纵振模态，在定子的表面形成正向准锯齿波振动，并经摩擦界面驱动动子正向运动；或通过调节相位差在定子的表面形成反向准锯齿波振动，从而驱动动子反向运动；
在所述低频准静态模式下，第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的频率比为1:2，初始相位差为0°，调节第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的电压幅值比使其机械振动振幅比为2：1，通过调节相位差组合摩擦振子驱动源一阶和二阶纵振模态，在定子的表面形成正向准锯齿波振动，并经摩擦界面驱动动子正向低速运动；或通过调节相位差在定子的表面形成反向准锯齿波振动，从而驱动动子反向运动；
在所述直流静态模式下，第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的激励信号为直流电压信号，调节两路激励信号的相位差实现反向驱动动子。
本发明谐振冲击式压电电机的特点也在于：包括第一位移放大机构、第二位移放大机构、第三位移放大机构和第四位移放大机构的各位移放大机构均采用结构相同的菱形空心框架；所述第一压电叠堆预紧固定在第一位移放大机构的长对角线上，所述第二压电叠堆预紧固定在第三位移放大机构的长对角线上。
本发明谐振冲击式压电电机的特点也在于：所述第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的激励信号为正弦波激励信号。
本发明谐振冲击式压电电机的特点也在于：设置第一位移放大机构的输入刚度在第一压电叠堆的输出刚度的1/10-1/6内；设置第三位移放大机构的输入刚度在第二压电叠堆的输出刚度的1/10-1/6内。
本发明谐振冲击式压电电机的特点也在于：在第一压电叠堆的两端与第一位移放大机构之间分别设置第一氧化铝垫片和第二氧化铝垫片，用于调整第一压电叠堆的压电叠堆预紧力；在第二压电叠堆的两端与第三位移放大机构之间分别设置第三氧化铝垫片和第四氧化铝垫片，用于调整第二压电叠堆的压电叠堆预紧力。
本发明谐振冲击式压电电机的特点也在于：在所述一维微调平台的后侧设置压簧用于调节动子与定子之间的预压力。
本发明谐振冲击式压电电机的特点也在于：
第一位移放大机构上朝向第一振子座的一端有固定块，第一振子座上有“C”形槽，“C”形槽的开口朝向第一位移放大机构所在一侧；将所述固定块嵌装在“C”形槽中，并在“C”形槽侧壁上设置顶紧螺栓，利用顶紧螺栓将固定块定位在“C”形槽中，使第一位移放大机构在第一振子座上得到固定；
第二位移放大机构上朝向第二振子座的一端有固定块，第二振子座上有“C”形槽，同样以固定块与“C”形槽配合，并利用顶紧螺栓定位，使第二位移放大机构在第二振子座上得到固定。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明通过跨频段激励，使得压电电机在谐振下完成快速粗定位，准静态下完成高分辨率驱动，直流静态下完成高精度微定位，从而实现兼顾高速和高分辨率的跨尺度输出。
2、本发明对摩擦振子驱动源的多个模态频率进行精确结构设计，采用对称结构，获得一阶纵振模态和二阶纵振模态，从而获得准锯齿波振动，提高冲击式压电电机的工作频率。
3、本发明利用硬陶瓷驱动，硬陶瓷的机械品质因数很高，发热不严重，利于大功率输出，适合高速运动，从而提高冲击式压电电机的输出速度。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明中动子及预压力调节装置结构示意图；
图3为本发明中两个振子驱动机构结构示意图；
图4为本发明中两个振子驱动源结构示意图；
图5为本发明中两个振子驱动源的机械振动曲线图和准锯齿波合成图；
图6为本发明中两个振子驱动源的一阶纵振模态图；
图7为本发明中两个振子驱动源的二阶纵振模态图；
图8为本发明在t0时刻电机运动位置示意图；
图9为本发明在t1时刻电机运动位置示意图；
图10为本发明t2时刻电机运动位置示意图；
图中标号：1第一振子座，2第一位移放大机构，3第二位移放大机构，4第二振子座，5 第三位移放大机构，6第四位移放大机构，7定子，8第一氧化铝陶瓷片，9第一氧化铝垫片，10第一压电叠堆，11第二氧化铝垫片，12第三氧化铝垫片，13第二压电叠堆，14第四氧化铝垫片，15第二氧化铝陶瓷片，16一维微调平台，17动子，18压簧，19底板。
具体实施方式
参见图1、图2和图3，本实施例中高速谐振冲击式压电电机包括定子7、动子17，以及两个振子驱动机构，两个振子驱动机构分别是第一振子驱动机构和第二振子驱动机构。
定子7为摩擦振子，固定在两个振子驱动机构的中间位置上作为输出端，在定子7的表面形成准锯齿波振动；动子17为交叉滚柱滑台，动子17通过螺栓固定在一维微调平台16上；动子17的前侧通过摩擦界面与定子7相互接触产生摩擦力形成粘滑效应，并由此驱动动子 17作定向运动。
第一振子驱动机构是在第一振子座1上固定设置第一摩擦振子驱动源，第一摩擦振子驱动源由第一位移放大机构2、第二位移放大机构3和第一压电叠堆10构成；第一压电叠堆10 通过初始预紧固定在第一位移放大机构2中；第二振子驱动机构是在第二振子座4上固定设置第二摩擦振子驱动源，第二摩擦振子驱动源由第三位移放大机构5、第四位移放大机构6 和第二压电叠堆13构成；第二压电叠堆13通过初始预紧固定在第三位移放大机构5中；第一压电叠堆10和第二压电叠堆13通过初始预紧工作在受压缩状态下，初始预紧的预紧力为 200N-500N。
由第二位移放大机构3、第四位移放大机构6和定子7共同构成弹簧质量阻尼系统，其中，第二位移放大机构3和第四位移放大机构6等效为弹簧，定子7等效为质量块，调整弹簧刚度和质量用于实现定子和动子之间阻抗匹配的优化，从而利于将压电叠堆产生的位移传递到输出端，达到压电电机高速驱动的目的。
本实施例中按如下控制方法通过跨频段激励实现高速和高分辨率兼顾的跨尺度输出：
给定高频激励信号，使摩擦振子驱动源工作在高频谐振态模式实现高速输出，完成快速粗定位；给定低频激励信号，使摩擦振子驱动源工作在低频准静态模式实现高分辨率输出，完成高分辨率驱动；给定直流激励信号，使摩擦振子驱动源工作在直流静态模式下完成高精度微定位。
在高频谐振态模式中，两个摩擦振子驱动源的两个模态需要同时被激励出来；摩擦振子驱动源中一阶纵振模态和二阶纵振模态的频率比为1：2；在一阶纵振模态下，定子输出端的形变由第一位移放大机构2和第三位移放大机构5振动产生，并由第二位移放大机构3和第四位移放大机构6传递位移；在二阶纵振模态下，定子输出端的形变由第二位移放大机构 3和第四位移放大机构6振动产生；第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源由共振频率激励，设置第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的频率为1:2，初始相位差为0°，调节第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的电压幅值比使其机械振动的振幅比为2： 1，通过调节相位差，组合摩擦振子驱动源一阶和二阶纵振模态，在定子7的表面形成正向准锯齿波振动，并经摩擦界面驱动动子17正向运动；或通过调节相位差在定子7的表面形成反向准锯齿波振动，从而驱动动子17反向运动。
在低频准静态模式下，第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的频率比为1:2，初始相位差为0°，调节第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的电压幅值比使其机械振动振幅比为2：1，通过调节相位差组合摩擦振子驱动源一阶和二阶纵振模式，在定子7的表面形成正向准锯齿波振动，并经摩擦界面驱动动子17正向低速运动；或通过调节相位差在定子7的表面形成反向准锯齿波振动，从而驱动动子17反向运动。
在直流静态模式下，第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的激励信号为直流电压信号，调节两路激励信号的相位差实现反向驱动动子17。
包括第一位移放大机构2、第二位移放大机构3、第三位移放大机构5和第四位移放大机构6的各位移放大机构均采用结构相同的菱形空心框架；第一压电叠堆10预紧固定在第一位移放大机构2的长对角线上，第二压电叠堆13预紧固定在第三位移放大机构5的长对角线上。
第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的激励信号为正弦波激励信号。
设置第一位移放大机构2的输入刚度在第一压电叠堆10的输出刚度的1/10-1/6内；
设置第三位移放大机构5的输入刚度在第二压电叠堆13的输出刚度的1/10-1/6内。
在第一压电叠堆10的两端与第一位移放大机构2之间分别设置第一氧化铝垫片9和第二氧化铝垫片11，用于调整第一压电叠堆10的压电叠堆预紧力。
在第二压电叠堆13的两端与第三位移放大机构5之间分别设置第三氧化铝垫片12和第四氧化铝垫片14，用于调整第二压电叠堆13的压电叠堆预紧力。
如图1和图2所示，在一维微调平台16的后侧、位于一维微调平台的测微头与滑台之间，设置压簧18，一维微调平台16与压簧18构成预压力调节装置，动子17的前侧通过第二氧化铝陶瓷片15与定子相互接触产生摩擦力；通过调节一维微调平台16的测微头，结合压簧 18实现对定子和动子之间的预压力调节；改变压簧受压的形变量x，通过F＝kx能够计算获得预压力变化大小，从而得出摩擦力变化大小。
如图3和图4所示，第一位移放大机构2上朝向第一振子座1的一端有固定块，第一振子座1上有“C”形槽，“C”形槽的开口朝向第一位移放大机构2所在一侧；将固定块嵌装在“C”形槽中，并在“C”形槽侧壁上设置顶紧螺栓，利用顶紧螺栓将固定块定位在“C”形槽中，使第一位移放大机构2在第一振子座1上得到固定；第二位移放大机构5上朝向第二振子座4的一端有固定块，第二振子座4上有“C”形槽，同样以固定块与“C”形槽配合，并利用顶紧螺栓定位，使第二位移放大机构5在第二振子座4上得到固定；第一振子座1和第二振子座4为对称结构，固定在底板19上。
图4所示，给第一压电叠堆10和第二压电叠堆13分别通入频率比为1:2的正弦波信号，两路信号的幅值比为2:1，相位差为
预紧装配着第一压电叠堆10的第一位移放大机构2 和预紧装配着第二压电叠堆13的第三位移放大机构5在两路正弦波信号的激励下产生正弦机械振动，从而分别牵引着第二位移放大机构3和第四位移放大机构6产生正弦机械振动，其机械振动频率与激励信号激励频率一致，但振幅与激励电信号的振幅并不一致，因此需要调节电信号幅值使其机械振动振幅比为2：1，再调节相位差即可在定子7的表面产生准锯齿波振动。
根据傅里叶变化，锯齿波波形可以分解为多个正弦波：
两压电振子驱动源机械振动曲线和傅里叶合成曲线如图5所示，傅里叶变化如式(1)：
式(1)中，f(t)为锯齿波函数，A为第一个正弦波信号的振幅，锯齿波波形是由许多整数倍谐波组成；二次谐波是一次谐波的一半，三次谐波是一次谐波的三分之一，以此类推。由基波和二次谐波合成的波是准锯齿波。
图6示出，两个振子驱动源利用第一位移放大机构2和第三位移放大机构5的变形分别带动第二位移放大机构3和第四位移放大机构6产生水平方向移动，定子7在水平方向产生位移。
图7示出，两个振子驱动源利用第二位移放大机构3和第四位移放大机构6的变形分别带动第一位移放大机构2和第三位移放大机构5产生水平方向移动，定子7在水平方向产生位移。
图8所示为t0时刻电机运动位置，以t0时刻为初始状态，即准锯齿波波峰处，在该初始状态下，作为动子的VRU2035交叉滚柱滑台处于初始位置。
在t0-t1时段中，在定子表面合成的准锯齿波信号幅值由波峰逐渐向波谷处缓慢下降，定子缓慢向水平正方向移动，这一状态下，定子和交叉滚柱滑台之间的摩擦力大于交叉滚柱滑台自身的惯性力，在定子表面合成的准锯齿波通过第一氧化铝陶瓷片的摩擦作用带动交叉滚柱滑台的上端盖开始向水平方向移动，即作为动子的交叉滚柱滑台跟随着定子缓慢向水平正方向运动，此过程为粘运动；到达t1时刻时，上端盖运动到该周期运动最远点，如图9所示。
在t1-t2时刻，在定子表面合成的准锯齿波信号幅值由波谷向波峰处快速上升，定子快速向水平反方向移动，在这一状态下，由于交叉滚柱滑台自身具有惯性力，作为动子的VRU2035 交叉滚柱滑台的上端盖跟随着准锯齿波快速上升向水平反方向运动一点，此过程为滑运动；到t2时刻时，上端盖对比周期运动最远点后退一点，如图10所示。
当准锯齿波信号按t0-t1-t2的周期进行驱动时，定子来回往返运动，动子交叉滚柱滑台步进一定的距离，连续多个周期驱动时，动子交叉滚柱滑台将不断往同一个方向运动。当在压电电机工作时关闭驱动信号，此时压电叠堆停止工作，压电驱动机构也停止工作，由于摩擦力，动子也停止运动。此时再次激励压电叠堆，无需调整即可正常运动。
Claims (7)
1.一种高速谐振冲击式压电电机，其特征是包括定子(7)、动子(17)，以及两个振子驱动机构，所述两个振子驱动机构分别是第一振子驱动机构和第二振子驱动机构；
所述定子(7)为摩擦振子，固定在两个振子驱动机构的中间位置上作为输出端，在所述定子(7)的表面形成准锯齿波振动；
所述动子(17)为交叉滚柱滑台，动子(17)通过螺栓固定在一维微调平台(16)上；动子(17)的前侧通过摩擦界面与定子(7)相互接触产生摩擦力形成粘滑效应，并由此驱动所述动子(17)作定向运动；
所述第一振子驱动机构是在第一振子座(1)上固定设置第一摩擦振子驱动源，所述第一摩擦振子驱动源由第一位移放大机构(2)、第二位移放大机构(3)和第一压电叠堆(10)构成；所述第一压电叠堆(10)通过初始预紧固定在第一位移放大机构(2)中；
所述第二振子驱动机构是在第二振子座(4)上固定设置第二摩擦振子驱动源，所述第二摩擦振子驱动源由第三位移放大机构(5)、第四位移放大机构(6)和第二压电叠堆(13)构成；所述第二压电叠堆(13)通过初始预紧固定在第三位移放大机构(5)中；
所述第一压电叠堆(10)和第二压电叠堆(13)通过初始预紧工作在受压缩状态下，初始预紧的预紧力为200N-500N；
由所述第二位移放大机构(3)、第四位移放大机构(6)和定子(7)共同构成弹簧质量阻尼系统，其中，第二位移放大机构(3)和第四位移放大机构(6)等效为弹簧，定子(7)等效为质量块，调整弹簧刚度和质量用于实现定子和动子之间阻抗匹配的优化；
按如下控制方法通过跨频段激励实现高速和高分辨率兼顾的跨尺度输出：
给定高频激励信号，使摩擦振子驱动源工作在高频谐振态模式实现高速输出，完成快速粗定位；
给定低频激励信号，使摩擦振子驱动源工作在低频准静态模式实现高分辨率输出，完成高分辨率驱动；
给定直流激励信号，使摩擦振子驱动源工作在直流静态模式下完成高精度微定位；
在所述高频谐振态模式中，两个摩擦振子驱动源的两个模态需要同时被激励出来；摩擦振子驱动源中一阶纵振模态和二阶纵振模态的频率比为1：2；在所述一阶纵振模态下，定子输出端的形变由第一位移放大机构(2)和第三位移放大机构(5)振动产生，并由第二位移放大机构(3)和第四位移放大机构(6)传递位移；在所述二阶纵振模态下，定子输出端的形变由第二位移放大机构(3)和第四位移放大机构(6)振动产生；所述第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源由共振频率激励，设置第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的频率为1:2，初始相位差为0°，调节第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的电压幅值比使其机械振动的振幅比为2：1，通过调节相位差，组合摩擦振子驱动源一阶和二阶纵振模态，在定子(7)的表面形成正向准锯齿波振动，并经摩擦界面驱动动子(17)正向运动；或通过调节相位差在定子(7)的表面形成反向准锯齿波振动，从而驱动动子(17)反向运动；
在所述低频准静态模式下，第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的频率比为1:2，初始相位差为0°，调节第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的电压幅值比使其机械振动振幅比为2：1，通过调节相位差组合摩擦振子驱动源一阶和二阶纵振模态，在定子(7)的表面形成正向准锯齿波振动，并经摩擦界面驱动动子(17)正向低速运动；或通过调节相位差在定子(7)的表面形成反向准锯齿波振动，从而驱动动子(17)反向运动；
在所述直流静态模式下，第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的激励信号为直流电压信号，调节两路激励信号的相位差实现反向驱动动子(17)。
2.根据权利要求1所述的谐振冲击式压电电机，其特征是：包括第一位移放大机构(2)、第二位移放大机构(3)、第三位移放大机构(5)和第四位移放大机构(6)的各位移放大机构均采用结构相同的菱形空心框架；所述第一压电叠堆(10)预紧固定在第一位移放大机构(2)的长对角线上，所述第二压电叠堆(13)预紧固定在第三位移放大机构(5)的长对角线上。
3.根据权利要求1所述的谐振冲击式压电电机，其特征是：所述第一摩擦振子驱动源和第二摩擦振子驱动源的激励信号为正弦波激励信号。
4.根据权利要求1所述的谐振冲击式压电电机，其特征是：
设置第一位移放大机构(2)的输入刚度在第一压电叠堆(10)的输出刚度的1/10-1/6内；
设置第三位移放大机构(5)的输入刚度在第二压电叠堆(13)的输出刚度的1/10-1/6内。
5.根据权利要求1所述的谐振冲击式压电电机，其特征是：
在第一压电叠堆(10)的两端与第一位移放大机构(2)之间分别设置第一氧化铝垫片(9)和第二氧化铝垫片(11)，用于调整第一压电叠堆(10)的压电叠堆预紧力；
在第二压电叠堆(13)的两端与第三位移放大机构(5)之间分别设置第三氧化铝垫片(12)和第四氧化铝垫片(14)，用于调整第二压电叠堆(13)的压电叠堆预紧力。
6.根据权利要求1所述的谐振冲击式压电电机，其特征是：在所述一维微调平台(16)的后侧设置压簧(18)用于调节动子(17)与定子(7)之间的预压力。
7.根据权利要求1所述的谐振冲击式压电电机，其特征是：
第一位移放大机构(2)上朝向第一振子座(1)的一端有固定块，第一振子座(1)上有“C”形槽，所述“C”形槽的开口朝向第一位移放大机构(2)所在一侧；将所述固定块嵌装在“C”形槽中，并在“C”形槽侧壁上设置顶紧螺栓，利用顶紧螺栓将固定块定位在“C”形槽中，使第一位移放大机构(2)在第一振子座(1)上得到固定；
第三位移放大机构(5)上朝向第二振子座(4)的一端有固定块，第二振子座(4)上有“C”形槽，同样以固定块与“C”形槽配合，并利用顶紧螺栓定位，使第三位移放大机构(5)在第二振子座(4)上得到固定。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111001607.8A CN113708660B (zh) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | 一种高速谐振冲击式压电电机 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111001607.8A CN113708660B (zh) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | 一种高速谐振冲击式压电电机 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113708660A CN113708660A (zh) | 2021-11-26 |
| CN113708660B true CN113708660B (zh) | 2022-07-26 |
Family
ID=78656558
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111001607.8A Active CN113708660B (zh) | 2021-08-30 | 2021-08-30 | 一种高速谐振冲击式压电电机 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113708660B (zh) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114915208B (zh) * | 2022-07-12 | 2024-03-01 | 合肥工业大学 | 一种纵切复合压电电机 |
| CN115987242A (zh) * | 2023-01-18 | 2023-04-18 | 瑞声光电科技(常州)有限公司 | 压电振动器和压电振动器组件 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106059381A (zh) * | 2016-06-06 | 2016-10-26 | 长春工业大学 | 斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101072000B (zh) * | 2007-03-26 | 2010-07-14 | 哈尔滨工业大学 | 单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机 |
| CN104038101B (zh) * | 2014-06-25 | 2016-05-25 | 哈尔滨工业大学 | 一种纵弯复合模态足式压电驱动器实现跨尺度驱动的方法 |
| CN104617813A (zh) * | 2015-02-15 | 2015-05-13 | 金陵科技学院 | 减摩并模态驱动的斜动子v形压电电机及其驱动方式 |
| KR20200037318A (ko) * | 2017-08-16 | 2020-04-08 | 피에조모터 웁살라 에이비 | 초음파 공진 모터 |
| CN111030505B (zh) * | 2020-02-20 | 2024-04-30 | 吉林大学 | 二次位移放大型压电驱动器 |
| CN112366978B (zh) * | 2020-08-17 | 2021-10-01 | 合肥工业大学 | 一种利用平动齿轮传动的压电电机 |
-
2021
- 2021-08-30 CN CN202111001607.8A patent/CN113708660B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106059381A (zh) * | 2016-06-06 | 2016-10-26 | 长春工业大学 | 斜梯型振幅放大机构压电粘滑直线电机及其激励方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113708660A (zh) | 2021-11-26 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113708660B (zh) | 一种高速谐振冲击式压电电机 | |
| CN113726216B (zh) | 一种非同频双定子驱动压电马达 | |
| CN1018126B (zh) | 压电电动机 | |
| CN109831116B (zh) | 一种由合成方波驱动的直线压电马达 | |
| CN112383241B (zh) | 一种双向惯性直线压电马达 | |
| CN106992712B (zh) | 压电-液压混合直线型步进电机及其工作方法 | |
| CN110299866B (zh) | 方框结构驱动的精密压电直线移动平台及工作模态 | |
| CN110912444B (zh) | 一种仿生爬行式压电驱动器 | |
| CN113131783B (zh) | 一种钳位控制的惯性直线压电马达 | |
| CN118316331A (zh) | 一种多层压电陶瓷直线超声电机及驱动方法 | |
| CN110798094A (zh) | 一种基于寄生惯性原理的新型压电直线精密驱动装置 | |
| CN111049422B (zh) | 一种钳位控制的惯性冲击马达 | |
| US9705425B2 (en) | Piezoelectric linear motor | |
| Xing et al. | A novel type of noncontact linear piezoelectric actuator modulated by electromagnetic field: Design and experiment | |
| CN210157098U (zh) | 方框结构驱动的精密压电直线移动平台 | |
| Jiang et al. | A piezoelectric linear actuator controlled by the reversed-phase connection of two bimorphs | |
| CN114915208A (zh) | 一种纵切复合压电电机 | |
| CN102118118A (zh) | 直线型超声波微电机 | |
| CN109495011B (zh) | 一种弧形振子直线型压电电机及其驱动方法 | |
| CN210629372U (zh) | 基于框架板结构定子驱动的压电平面电机 | |
| CN103516252A (zh) | 一种高速率、高分辨率、高驱动力的双模超声波线性马达 | |
| CN110855179B (zh) | 一种爬行式压电精密驱动装置 | |
| CN102299663B (zh) | 采用弹簧块预紧的圆筒型行波超声电机振子 | |
| CN116317682A (zh) | 一种变刚度惯性冲击直线压电马达 | |
| CN215186503U (zh) | 一种双压电陶瓷惯性驱动式微位移电机 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |