基于彎振模態(tài)的直線超聲電機(jī)及其電激勵(lì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明公開了基于彎振模態(tài)的直線超聲電機(jī)及其電激勵(lì)方法，屬于超聲電機(jī)的技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 超聲電機(jī)是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展的一種新型微特電機(jī)，利用壓電陶瓷的逆壓 電效應(yīng)，通過電信號(hào)激發(fā)彈性體的超聲振動(dòng)，通過定子與動(dòng)子之間的摩擦作用驅(qū)動(dòng)負(fù)載。直 線超聲電機(jī)是超聲電機(jī)的一種，它將彈性體的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)子(導(dǎo)軌）的直線運(yùn)動(dòng)。它 具有整體質(zhì)量小、慣性小、響應(yīng)快、斷電自鎖、具有較大的推重比等特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活， 便于裝配，在航空航天、國防、精密驅(qū)動(dòng)及定位等領(lǐng)域就有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003] 直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圍繞兩個(gè)技術(shù)問題展開：一是確定最優(yōu)的電機(jī)定子結(jié)構(gòu) 形式，二是尋求合適的定子夾持方式。已有的研究表明，最優(yōu)的定子結(jié)構(gòu)具有簡單的結(jié)構(gòu)形 式，通常采用桿結(jié)構(gòu)和板結(jié)構(gòu)，它們具有振動(dòng)模態(tài)純，沒有干擾模態(tài)的優(yōu)點(diǎn)，因而振動(dòng)效率 高。從電機(jī)的設(shè)計(jì)要求來講，要實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng)，必須利用結(jié)構(gòu)兩個(gè)模態(tài)的振動(dòng)。通常 采用的工作模態(tài)有彎曲振動(dòng)和縱向振動(dòng)，或者采用不同方向的彎曲振動(dòng)。公開日為2014年 7月23日、公開號(hào)為CN103944445A的發(fā)明提出了"一端鉸支的直線超聲電機(jī)的夾持定位裝 置"的專利，該專利采用夾心式結(jié)構(gòu)形式，并提出采用彎曲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)， 利用縱向振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向另一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這個(gè)發(fā)明的不足是很難調(diào)節(jié)這兩項(xiàng)頻率一致且 縱向振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)效果比彎曲振動(dòng)差。
[0004] 為了克服上述問題，公開日為2010年7月14日、公開號(hào)為CN101777852A的發(fā)明 提出了"雙定子彎曲模態(tài)直線超聲電機(jī)及工作模態(tài)和電激勵(lì)方式"的專利，它的特征在于： 電機(jī)整體結(jié)構(gòu)為變幅桿狀結(jié)構(gòu)，利用的工作模態(tài)為兩個(gè)正交彎曲振動(dòng)模態(tài)。由于電機(jī)采用 同形的、相互垂直的振動(dòng)模態(tài)，因此，兩項(xiàng)振動(dòng)模態(tài)的頻率是相同的，但是，該電機(jī)只能在一 個(gè)方向上安裝夾持件，因此，夾持件的不對(duì)稱又破壞了整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。
[0005] 直線超聲電機(jī)夾持方式的設(shè)計(jì)是直線超聲電機(jī)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，但是沒有受到重 視。公開日為2010年6月9日、公開號(hào)為CN101728972A的發(fā)明專利提出了 "基于連續(xù)變 幅桿原理的K形直線超聲電機(jī)的夾持定位裝置"，該發(fā)明提出和設(shè)計(jì)了開口外框，并利用彈 簧和柔性鉸鏈?zhǔn)┘宇A(yù)壓力，通過調(diào)節(jié)開口外框的位置調(diào)節(jié)預(yù)壓力，但是，該夾持方式穩(wěn)定性 差，夾持的縱向剛度和切向剛度在一個(gè)量級(jí)上，限制了輸出力的提高。為了克服這一問題，[0006] 雖然"一端鉸支的直線超聲電機(jī)的夾持定位裝置"的專利，具有高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和 大的推力，但是，基于一端鉸支的方式破壞了結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，使得電機(jī)在兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向上的 輸出特性不一樣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對(duì)上述【背景技術(shù)】的不足，提供了基于彎振模態(tài)的 直線超聲電機(jī)及其電激勵(lì)方法，公開的兩端鉸支的雙振子直線超聲電機(jī)提高了電機(jī)穩(wěn)定 性、能量利用率以及整機(jī)輸出力，利用振子彎振模態(tài)在一個(gè)頻率下驅(qū)動(dòng)電機(jī)雙向運(yùn)動(dòng)，解決 了一端鉸支電機(jī)對(duì)稱性差且輸出特性不一樣、采用兩種模態(tài)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向在不同方向運(yùn)動(dòng)很 難調(diào)節(jié)這兩項(xiàng)頻率一致且驅(qū)動(dòng)效果有差異的技術(shù)問題。
[0008] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案： 基于彎振模態(tài)的直線超聲電機(jī)，包括：底板、對(duì)稱板狀結(jié)構(gòu)的定子組件、兩個(gè)夾持件、預(yù) 壓力施加裝置、動(dòng)子，其中， 所述定子組件包括：兩振子以及鏈接兩振子的驅(qū)動(dòng)足； 每個(gè)夾持件上開有用于固定在底板上的第一通孔、用以支持預(yù)壓力施加裝置的第二通 孔、與所述振子連接的第三通孔； 所述預(yù)壓力施加裝置包括：穿過各夾持件第二通孔的螺桿、套在螺桿兩端的彈簧以及 套在螺桿兩端用以壓縮彈簧的螺母； 支持件在彈簧產(chǎn)生的彈力作用下旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)足端面在其發(fā)生形變后與動(dòng)子接觸并壓緊 以提供推動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的預(yù)壓力。
[0009] 作為所述基于彎振模態(tài)的直線超聲電機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每個(gè)振子包括：緊固 螺栓、2η組壓電陶瓷片、配重塊、端蓋，所述緊固螺栓由外側(cè)向內(nèi)側(cè)依次將配重塊、η組壓電 陶瓷片、支持件、η組壓電陶瓷片、端蓋固定在一起，η為正整數(shù)。
[0010] 再進(jìn)一步的，所述基于彎振模態(tài)的直線超聲電機(jī)中，每組壓電陶瓷片極化方式相 同，每組壓電陶瓷片包括兩片正負(fù)區(qū)域倒置的壓電陶瓷片。
[0011] 作為所述基于彎振模態(tài)的直線超聲電機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化方案，每個(gè)振子還包括與驅(qū) 動(dòng)足鏈接的柔性鉸鏈，驅(qū)動(dòng)足與兩個(gè)振子上的柔性鉸鏈呈倒置的V形。
[0012] 更進(jìn)一步的，基于彎振模態(tài)的直線超聲電機(jī)的電激勵(lì)方法，用正弦信號(hào)激勵(lì)一側(cè) 振子，用余弦信號(hào)激勵(lì)另一側(cè)振子，壓電陶瓷片受到電激勵(lì)后沿厚度方向振動(dòng)的效應(yīng)激發(fā) 出所述直線超聲電機(jī)的面內(nèi)彎振對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)，對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)中驅(qū)動(dòng)足 在空間相位上相差為/2,驅(qū)動(dòng)足端面在彎振模態(tài)下產(chǎn)生的橢圓運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子雙向運(yùn)動(dòng)。
[0013] 本發(fā)明采用上述技術(shù)方案，具有以下有益效果： (1) 對(duì)稱板狀結(jié)構(gòu)的定子組件以及兩端鉸支的方式實(shí)現(xiàn)了電機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱，兩支持件 首尾部對(duì)電機(jī)整體進(jìn)行定位和支持，提高了電機(jī)的穩(wěn)定性，支持件與底座鉸支，通過壓縮預(yù) 壓力施加裝置中的彈簧使具有柔性的驅(qū)動(dòng)足發(fā)生形變，定子與動(dòng)子間產(chǎn)生穩(wěn)定、較大的預(yù) 壓力，最大限度的提高了電機(jī)的輸出力； (2) 利用彎振低頻率特性設(shè)計(jì)的具有柔性驅(qū)動(dòng)足的定子，進(jìn)一步改善定子夾持方式和 預(yù)壓力施加方式，提高了電機(jī)的穩(wěn)定性、能量利用率和整機(jī)的輸出力； (3) 利用彎振的工作頻率，通過輸入信號(hào)的相位改變動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向，降低了激發(fā)頻率， 提高了振動(dòng)效率，實(shí)現(xiàn)了一種工作頻率驅(qū)動(dòng)電機(jī)在不同方向上的運(yùn)動(dòng)，由于本發(fā)明僅僅利 用彎振并采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此電機(jī)在兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行速度都相同，避免了電機(jī)在 兩個(gè)方向的驅(qū)動(dòng)效果有差異。
【附圖說明】
[0014] 圖1是本發(fā)明涉及的基于彎振的雙振子直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明中定子結(jié)構(gòu)及電信號(hào)加載示意圖； 圖3是圖1中支持件的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是圖1中預(yù)壓力施加裝置的示意圖； 圖5是壓電陶瓷極化方向的示意圖； 圖6是本發(fā)明所述超聲電機(jī)工作模態(tài)的示意圖，其中，圖6 (a)是定子對(duì)稱模態(tài)， 圖6 (b)是定子的反對(duì)稱模態(tài)，圖6所示的兩個(gè)振動(dòng)模態(tài)中驅(qū)動(dòng)足在空間相位上相差 π/2。
[0015] 圖中標(biāo)號(hào)名稱：1、底板，2、定子組件，3、支持件，4、預(yù)壓力施加裝置，5、動(dòng)子，21、驅(qū) 動(dòng)足，22、驅(qū)動(dòng)足柔性鉸鏈，23、緊固螺栓，24、壓電陶瓷片，25、配重塊，26、端蓋，31、第一通 孔32、第二通孔，33、第三通孔，41、螺桿，42、彈簧，43、螺母。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性 的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0017] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語 和科學(xué)術(shù)語）具有本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該 理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意 義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0018] 如圖1和圖2所不，本實(shí)施方式中的基于彎振的雙振子直線超聲電機(jī)，包括：底板 1、定子組件2、動(dòng)子5和夾持組件3、預(yù)壓力施加裝置4。底板1開有螺紋孔，用于安裝定子 2組件和動(dòng)子5 ;定子組件2