專利名稱：錐狀定子縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬微電機(jī)領(lǐng)域的超聲電機(jī)，特指一種錐狀定子縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)。
背景技術(shù)：
超聲直線電機(jī)作為一種新型的微致動(dòng)器，突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和彈性體的超聲振動(dòng)，將微觀變形通過共振放大和機(jī)電耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊的宏觀運(yùn)動(dòng)。這種全新原理和全新結(jié)構(gòu)的微特電機(jī)，涉及到材料科學(xué)、機(jī)械振動(dòng)、波動(dòng)理論、摩擦學(xué)、微電子學(xué)和控制理論等諸多學(xué)科，自誕生之日起，就一起是日、美、德、法、英等發(fā)達(dá)國(guó)家MEMS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
超聲直線電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型微電機(jī)。超聲直線電機(jī)的原理完全有別于傳統(tǒng)的電磁感應(yīng)的電機(jī)，以功率密度大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、慣性小、響應(yīng)快、控制特性好、低速大力矩(或大推力)、斷電能自鎖、位置分辨率高、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載、效率高、無噪聲、抗電磁干擾和自身不產(chǎn)生磁場(chǎng)等優(yōu)良性能成為一種新穎的微特電機(jī)。它不僅是一種全新的自動(dòng)控制元件，也是一種嶄新的傳動(dòng)形式。
現(xiàn)有專利小型直線超聲電機(jī)，申請(qǐng)?zhí)朇N200510037644.9，其位置分辨率不高，響應(yīng)速度不是很快，可控制性能不是很好，會(huì)有遲滯、蠕變、非線性等不良特性。另外，其縱向振動(dòng)頻率和彎曲振動(dòng)頻率很難達(dá)到一致，因而造成電機(jī)的工作磨損嚴(yán)重。
另有論文縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)振動(dòng)模態(tài)有限元分析.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17(3)。該論文中所設(shè)計(jì)的超聲直線電機(jī)定子為圓柱狀，采用調(diào)節(jié)定子兩端螺母的尺寸來調(diào)節(jié)定子的縱向振動(dòng)頻率和彎曲振動(dòng)頻率一致的。調(diào)節(jié)過程比較復(fù)雜，定子的縱向振動(dòng)頻率和彎曲振動(dòng)頻率也很難達(dá)到一致，結(jié)構(gòu)不夠緊湊，而且會(huì)有遲滯、蠕變、非線性等不良特性，工作效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種比一般超聲直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)更緊湊、運(yùn)行更安靜、推力/體積比更大、效率更高的錐狀定子縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，通過種子群算法的最優(yōu)化設(shè)計(jì)以及有限元計(jì)算，確定本發(fā)明超聲直線電機(jī)的定子形狀為錐狀。錐狀定子比管狀定子結(jié)構(gòu)更緊湊、體積更小、重量更輕，其撥齒的復(fù)合振動(dòng)振幅更大，因?yàn)榭v向振動(dòng)的頻率與彎曲振動(dòng)的頻率幾乎一致，通過虛擬樣機(jī)模型的計(jì)算，得到撥齒簡(jiǎn)并后的聲表面波的形狀就是橢圓，因此工作效率更高。
本發(fā)明超聲直線電機(jī)主要由定子和動(dòng)子組成。其特點(diǎn)是采用錐狀定子，撥齒采用兩側(cè)呈凸臺(tái)狀中間開槽的結(jié)構(gòu)便于動(dòng)子的安裝、固定和滑移引導(dǎo)；定子由對(duì)稱分布的八片壓電陶瓷墊片通過螺母作用于撥齒再通過壓軸套將壓電陶瓷墊片壓緊在螺柱中軸上。壓電陶瓷片共有八片，分為a、b、c、d四組。其中a、b的上下極化方向相同，為拉伸振動(dòng)陶瓷片，驅(qū)動(dòng)電壓為同相位；a、d的極化方向相反，為彎曲振動(dòng)陶瓷片，驅(qū)動(dòng)電壓相位相差180度；而a和b的驅(qū)動(dòng)電壓相位相差90度。
在定子兩端采用雙螺母防松鎖緊，通過分別調(diào)整定子兩端螺母的預(yù)壓力，彌補(bǔ)各陶瓷墊片的性能不能完全一致的問題，使呈對(duì)稱分布的陶瓷墊片工作性能一致；定子的錐狀結(jié)構(gòu)，可確保電機(jī)定子的縱振和彎振的頻率一致性；在動(dòng)子與撥齒接觸的上方設(shè)置螺栓經(jīng)壓板壓緊動(dòng)子，對(duì)動(dòng)子施加正壓力。
本發(fā)明超聲直線電機(jī)的工作原理是通過選擇適當(dāng)?shù)亩ㄗ咏Y(jié)構(gòu)、電機(jī)尺寸與材料特性參數(shù)，將同一超聲頻率(20kHz以上)交流激勵(lì)電壓信號(hào)施加于縱向和彎曲陶瓷片，同時(shí)激化出定子的縱向和彎曲兩種振動(dòng)模態(tài)，使得電機(jī)定子在該共振頻率下被激振，在兩端凸齒與直線滑軌接觸表面質(zhì)節(jié)點(diǎn)形成橢圓運(yùn)動(dòng)并放大。當(dāng)給定子施加一定正壓力，使兩端凸齒壓緊接觸移動(dòng)體時(shí)，通過定子和移動(dòng)體之間的摩擦帶動(dòng)移動(dòng)體做直線運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、緊湊、體積更小、安裝更加方便等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍更廣，更適合于小型、精密機(jī)械的驅(qū)動(dòng)裝置。另外，還具有位置分辨率高、可控制性能好，響應(yīng)快、定位及調(diào)整控制簡(jiǎn)單、定子和動(dòng)子之間正壓力調(diào)節(jié)方便、安裝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。本發(fā)明的縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)可作為超精密進(jìn)給機(jī)構(gòu)(進(jìn)給精度可以達(dá)到10-8m)以及超聲泵的原理機(jī)?？梢院芎玫乇苊庵鶢疃ㄗ映曋本€電機(jī)的遲滯、蠕變、非線性等不良特性?？v彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)的縱向振動(dòng)頻率和彎曲振動(dòng)頻率越接近，定子的聲表面波形狀越接近于橢圓，縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)的工作越可靠，工作效率越高。本發(fā)明主要通過理論分析和有限元計(jì)算得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)的錐狀定子結(jié)構(gòu)，使縱向振動(dòng)頻率和彎曲振動(dòng)頻率理論上可達(dá)到頻率差在5Hz以內(nèi)(實(shí)際調(diào)試頻率差可控制在20Hz以內(nèi))，并且撥齒的振幅更大，從而使撥齒的推力更大，超聲直線電機(jī)的工作效率更高。


圖1是錐狀定子壓電微位移致動(dòng)器定子組成示意圖。
圖2是錐狀定子壓電微位移致動(dòng)器總體組成示意圖。
上述圖中的標(biāo)號(hào)名稱1、絕緣套，2、螺柱中軸，3、薄墊片，4、壓電陶瓷片，5、壓軸套，6、撥齒，7、螺母，8、壓板，9、隔板，10、彈簧墊片，11、螺栓，12、動(dòng)子。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明是基于利用壓電陶瓷片壓電效應(yīng)激出定子的縱振和彎振模態(tài)而研制成的縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)。它主要是由定子和動(dòng)子組成。由圖可知，本發(fā)明縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)采用錐狀結(jié)構(gòu)的定子，定子由對(duì)稱分布的八片壓電陶瓷墊片4通過定子兩端的雙螺母7作用于撥齒6再通過壓軸套5將壓電陶瓷墊片4壓緊在螺柱中軸2上。采用雙螺母7結(jié)構(gòu)確保超聲直線電機(jī)工作過程中的防松鎖緊。撥齒4采用兩側(cè)呈凸臺(tái)狀中間開槽的結(jié)構(gòu)用于動(dòng)子的安裝與固定。兩個(gè)撥齒6材料選用中硬鋁定位在定子的二階彎振峰值位置。定子錐狀壓軸套5的結(jié)構(gòu)尺寸經(jīng)有限元分析計(jì)算確定，可確保電機(jī)定子的縱振和彎振的頻率一致性，較圓柱狀定子有更大的復(fù)合振幅和更近似的橢圓聲表面波。
其中層疊式壓電陶瓷墊片可以在較小電壓下產(chǎn)生較大振幅，充分利用了壓電陶瓷的d33效應(yīng)，相比以往的超聲直線電機(jī)采用的d31效應(yīng)，壓電效應(yīng)提高了3倍以上。壓電陶瓷片共有八片，分為4(a)、4(b)、4(c)和4(d)四組。其中4(b)和4(c)的上下極化方向相同，為拉伸振動(dòng)陶瓷片，驅(qū)動(dòng)電壓為同相位；4(a)和4(d)的極化方向相反，為彎曲振動(dòng)陶瓷片，驅(qū)動(dòng)電壓相位相差180度。而4(a)和4(b)的驅(qū)動(dòng)電壓相位相差90度。當(dāng)各組壓電陶瓷片分別通以同頻的正弦交流電，可同時(shí)有效激發(fā)出定子的縱振和彎振，這兩個(gè)振動(dòng)的合成會(huì)在兩個(gè)撥齒上產(chǎn)生同向的橢圓運(yùn)動(dòng)。在動(dòng)子與撥齒接觸的上方通過螺栓作用于壓板上對(duì)動(dòng)子施加正壓力，再由這個(gè)橢圓運(yùn)動(dòng)，使得撥齒6和動(dòng)子12間產(chǎn)生摩擦力，推動(dòng)動(dòng)子12做直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)將這兩個(gè)正弦電壓信號(hào)反相時(shí)，撥齒上所產(chǎn)生的橢圓運(yùn)動(dòng)反向，推動(dòng)動(dòng)子12做反向運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.錐狀定子縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)，其特征在于采用錐狀結(jié)構(gòu)的定子，定子由對(duì)稱分布的八片壓電陶瓷墊片(4)通過螺母作用于撥齒(6)再通過壓軸套(5)將壓電陶瓷墊片(4)壓緊在螺柱中軸(2)上；壓電陶瓷片分為4(a)、4(b)、4(c)和4(d)四組，其中4(b)和4(c)的上下極化方向相同，為拉伸振動(dòng)陶瓷片，驅(qū)動(dòng)電壓為同相位；4(a)和4(d)的極化方向相反，為彎曲振動(dòng)陶瓷片，驅(qū)動(dòng)電壓相位相差180度，而4(a)和4(b)的驅(qū)動(dòng)電壓相位相差90度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐狀定子縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)，其特征是在定子兩端采用防松鎖緊的雙螺母(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的錐狀定子縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)，其特征是在動(dòng)子(12)與撥齒(6)接觸的上方設(shè)置螺栓(11)經(jīng)壓板(8)壓緊動(dòng)子(12)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種錐狀定子縱彎復(fù)合型超聲直線電機(jī)。其采用錐狀定子，撥齒采用兩側(cè)呈凸臺(tái)狀中間開槽的結(jié)構(gòu)便于動(dòng)子的安裝、固定和滑移引導(dǎo)；定子由對(duì)稱分布的八片壓電陶瓷墊片通過螺母作用于撥齒再通過壓軸套將壓電陶瓷墊片壓緊在螺柱中軸上。在定子兩端采用雙螺母防松鎖緊，通過分別調(diào)整定子兩端螺母的預(yù)壓力，在動(dòng)子與撥齒接觸的上方設(shè)置螺栓經(jīng)壓板壓緊動(dòng)子，對(duì)動(dòng)子施加正壓力。其具有結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、緊湊、體積更小、安裝更加方便等特點(diǎn)，應(yīng)用范圍更廣，更適合于小型、精密機(jī)械的驅(qū)動(dòng)裝置。另外，還具有位置分辨率高、可控制性能好，響應(yīng)快、定位及調(diào)整控制簡(jiǎn)單、定子和動(dòng)子之間正壓力調(diào)節(jié)方便、安裝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02N2/04GK101013862SQ200610161248
公開日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2006年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月18日
發(fā)明者高建民, 李發(fā)義, 諶志偉 申請(qǐng)人:江蘇大學(xué)