專利名稱：一種基于交變力的直線超聲電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
基于交變力的直線超聲電機(jī)及工作模態(tài)和電激勵(lì)方式，屬超聲電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型動(dòng)力輸出裝置。與電磁 電機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)快(毫秒級(jí))、斷電自鎖、位置和速度控制性好、 不受電磁干擾以及低噪聲運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、微型機(jī)械、機(jī)器人、精密儀器儀表、伺服 機(jī)構(gòu)、醫(yī)療器械等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。直線型超聲電機(jī)屬于超聲電機(jī)的一個(gè)分類。按照直線型超聲電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)是平 板和桿(或桿的組合結(jié)構(gòu))，將直線超聲電機(jī)劃分為板結(jié)構(gòu)和桿結(jié)構(gòu)。板結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī) 雖然其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，但其輸出速度和力較小。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人、航空航天等應(yīng)用領(lǐng) 域需要具有大輸出力、效率高的直線型超聲電機(jī)。桿式直線超聲電機(jī)，具有輸出力、運(yùn)行速 度大等優(yōu)點(diǎn)。其一般包括動(dòng)子和定子，其結(jié)構(gòu)特征在于動(dòng)子為一直線導(dǎo)軌，定子由若干個(gè) 蘭杰文振子構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)頻率一致，使振子兩相振動(dòng)模態(tài)復(fù)合振動(dòng)(運(yùn)動(dòng))，在驅(qū)動(dòng)足形 成空間橢圓運(yùn)動(dòng)，與動(dòng)子接觸摩擦推動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。對(duì)于這類超聲電機(jī)在定、轉(zhuǎn)子的接觸界面 上，定、轉(zhuǎn)子的相互作用表現(xiàn)為切向和法向表變力的共同作用，它們?cè)诳臻g相互垂直，在時(shí) 間上相差η/2。但是，由于現(xiàn)有的直線超聲電機(jī)利用結(jié)構(gòu)的振動(dòng)提供法向力(通常是定子 的對(duì)稱模態(tài)產(chǎn)生的法向振動(dòng))。在這種設(shè)計(jì)中，定子的對(duì)稱模態(tài)的振動(dòng)狀態(tài)受定、轉(zhuǎn)子間的 預(yù)壓力的影響，當(dāng)預(yù)壓力充分大時(shí)，定子的對(duì)稱模態(tài)的振動(dòng)將受到限制，從而導(dǎo)致法向交變 力減小，輸出力降低。也就是說，現(xiàn)有的直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)特征限制了電機(jī)輸出力的進(jìn)一 步提高。本項(xiàng)實(shí)用新型，僅僅利用結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)振動(dòng)模態(tài)，提供切向交變力，并利用縱振壓電 片直接提供法向交變力。由于法向交變力不受預(yù)壓力的影響，因此，可以通過增加預(yù)壓力提 高電機(jī)的輸出力。本實(shí)用新型提出的直線超聲電機(jī)將會(huì)比現(xiàn)有的直線超聲電機(jī)具有更大的 輸出力。另外，本實(shí)用新型僅僅利用了結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)模態(tài)，因此，不存在現(xiàn)有直線超聲電機(jī)設(shè) 計(jì)中存在的模態(tài)一致性問題，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加容易和簡(jiǎn)單。目前國(guó)內(nèi)直線超聲電機(jī)的研究發(fā)展很快，清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、哈爾濱 工業(yè)大學(xué)等高校先后對(duì)直線超聲電機(jī)展開了研究。在中國(guó)專利網(wǎng)上，從2004年開始陸 續(xù)刊登了環(huán)形駐波直線超聲電機(jī)200510046044. 9、棱柱型縱彎復(fù)合振子直線超聲電機(jī) [200610132316. 1、三角形彎板式壓電直線超聲電機(jī)200710045921. X、H形駐波直線超 聲電機(jī)振子200820014739. 8等。近年來，南京航空航天大學(xué)研制成功了圓柱結(jié)構(gòu)雙輪足 驅(qū)動(dòng)直線超聲電機(jī)及電激勵(lì)方法200710020963. 8、基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲 電機(jī)2008101Μ426.2等。這類直線都利用了結(jié)構(gòu)的兩項(xiàng)模態(tài)，通過對(duì)稱模態(tài)振動(dòng)(或縱 振、或彎振模態(tài))提供法向交變力。目前，尚未見到利用一項(xiàng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)提供切線交變力、直 接利用縱振壓電陶瓷提供法向交變力的直線超聲電機(jī)的報(bào)道。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于研制一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出力大、運(yùn)行速度快、輸出效率高的 基于交變力的直線超聲電機(jī)及工作模態(tài)和電激勵(lì)方式。與傳統(tǒng)直線超聲電機(jī)依靠驅(qū)動(dòng)足形 成空間橢圓運(yùn)動(dòng)進(jìn)而推動(dòng)動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)方式不同，本電機(jī)提出了一種以力變化為基礎(chǔ)的全新 的驅(qū)動(dòng)方式，不涉及振動(dòng)模態(tài)頻率一致性問題，使直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加容易，輸出 力更大。本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案—種基于交變力的直線超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，所述定子包括左右兩個(gè)蘭杰 文振子沿中心線對(duì)接構(gòu)成，每個(gè)蘭杰文振子包括前端蓋、后端蓋、壓電陶瓷片和對(duì)應(yīng)的電極 片組成，且每個(gè)蘭杰文振子整體呈截面由尾部向頭部漸縮的連續(xù)截面桿式結(jié)構(gòu)，左右兩個(gè) 蘭杰文振子的頭部對(duì)接連為一體，蘭杰文振子的下部設(shè)有夾持件，所述夾持件安裝于一組 壓電陶瓷片之間，所述定子的兩端設(shè)有預(yù)緊力螺栓，在兩個(gè)蘭杰文振子對(duì)接處平行于振子 縱振面的表面粘貼一片驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片，在驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片上再粘貼電極片以及 摩擦片構(gòu)成驅(qū)動(dòng)足，所述動(dòng)子為一直線導(dǎo)軌，與所述定子設(shè)置成平行結(jié)構(gòu)，并在驅(qū)動(dòng)足處相 互接觸。一種直線超聲電機(jī)的電激勵(lì)方法，首先使用正弦信號(hào)激發(fā)驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片， 它的伸縮使驅(qū)動(dòng)足表面擠壓應(yīng)力呈周期性變化，于是驅(qū)動(dòng)足做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候驅(qū)動(dòng)力會(huì)呈 周期性變化；其次對(duì)于定子左右的兩個(gè)蘭杰文振子，分別用與上述正弦信號(hào)相位差為正負(fù) η/2的同頻正弦信號(hào)激發(fā)出縱振模態(tài)，由于所述定子與動(dòng)子布置成平行結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)足處 的定子振動(dòng)仍舊平行于動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向，振動(dòng)中的定子與動(dòng)子由于摩擦作用產(chǎn)生沿動(dòng)子運(yùn) 動(dòng)方向的切向力，定子和動(dòng)子在接觸面上受切向和法向兩個(gè)交變力的作用，這兩個(gè)交變力 在空間相互垂直，在時(shí)間上相差η /2，動(dòng)子導(dǎo)軌1在兩個(gè)交變力的共同作用下做直線運(yùn)動(dòng)。有益效果(1)蘭杰文振子中不存在突變截面(有相同的聲阻抗)，對(duì)平面聲波不會(huì)產(chǎn)生反射波。(2)連續(xù)變截面桿采用后向前漸縮設(shè)計(jì)，使得它在每個(gè)截面上具有相同的聲阻抗。(3)連續(xù)變截面桿采用由后向前漸縮設(shè)計(jì)，也使得蘭杰文振子的頭部的振動(dòng)被放 大。(4)定子通過驅(qū)動(dòng)足和蘭杰文振子在連接面上連續(xù)收縮連接而成，也使得定子在 驅(qū)動(dòng)足處的彎矩減小。(5)定、動(dòng)子導(dǎo)軌在接觸面上受切向和法向兩個(gè)交變力的作用，這兩個(gè)交變力在空 間相互垂直，在時(shí)間上相差η/2，動(dòng)子在它們的共同作用下做直線運(yùn)動(dòng)。因此，本實(shí)用新型 的設(shè)計(jì)方案，有助于提高電機(jī)的速度、輸出力和運(yùn)行效率。該直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸 小、輸出力大、速度大、效率高。

圖1為基于交變力的直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實(shí)用新型提出的基于交變力的直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷極化布置 方式及電激勵(lì)方式圖1中標(biāo)號(hào)名稱1.直線導(dǎo)軌；2.后端蓋；3.前端蓋；4.驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片；5.電極片；6.壓電陶瓷片；7.夾持件；8.摩擦片；9.預(yù)緊力螺栓。
具體實(shí)施方式
一種基于交變力的直線超聲電機(jī)如圖1所示，包括定子和動(dòng)子，其特征在于所述 定子主要由左右兩個(gè)蘭杰文振子沿中心線對(duì)接構(gòu)成，每個(gè)蘭杰文振子均由前端蓋3、后端蓋 2、壓電陶瓷片6和對(duì)應(yīng)的電極片5組成，且整體呈截面由尾部向頭部漸縮的連續(xù)截面桿式 結(jié)構(gòu)，左右兩個(gè)蘭杰文振子的頭部對(duì)接連為一體，另外在兩個(gè)蘭杰文振子對(duì)接處平行于振 子縱振面的表面粘貼一片驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片4，在驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片4上再粘貼電極 片5以及一片摩擦片8構(gòu)成驅(qū)動(dòng)足，動(dòng)子為一直線導(dǎo)軌1與上述定子布置成平行結(jié)構(gòu)，并在 驅(qū)動(dòng)足處相互接觸。本實(shí)用新型的外部支撐件打有通孔，通過預(yù)緊力螺栓9用以安裝定子 以及預(yù)壓力裝置，將定子和動(dòng)子連接成一整體構(gòu)成基于交變力的直線超聲電機(jī)。本實(shí)用新型電激勵(lì)方法是使用正弦信號(hào)激發(fā)驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片4，它的伸縮 使驅(qū)動(dòng)足表面擠壓應(yīng)力呈周期性變化，于是驅(qū)動(dòng)足做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候驅(qū)動(dòng)力會(huì)呈周期性變 化，對(duì)于定子左右的兩個(gè)蘭杰文振子，分別用與以上正弦信號(hào)相位差為正負(fù)η/2的同頻正 弦信號(hào)激發(fā)出縱振模態(tài)，由于所述定子與直線導(dǎo)軌1布置成平行結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)足處的定子 振動(dòng)(往復(fù)運(yùn)動(dòng))仍舊平行于動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向，振動(dòng)中的定子與動(dòng)子由于摩擦作用產(chǎn)生沿 動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方向的切向力。定、動(dòng)子在接觸面上受切向和法向兩個(gè)交變力的作用，這兩個(gè)交變 力在空間相互垂直，在時(shí)間上相差η/2，動(dòng)子在它們的共同作用下做直線運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)定子 由超聲變幅桿原理的蘭杰文振子構(gòu)成，可以使驅(qū)動(dòng)足獲得較大的位移，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)較大的 位移，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)輸出力大，運(yùn)行速度快，輸出效率高的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則1.由壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)激發(fā)蘭杰文振子的振動(dòng)模態(tài)。2.以 相位差為η/2的兩個(gè)同頻率正弦信號(hào)分別激勵(lì)定子左右的縱振壓電陶瓷片以及驅(qū)動(dòng)足處 的縱振陶瓷片，在驅(qū)動(dòng)足處形成應(yīng)力橢圓，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)。3.以正弦信號(hào)激勵(lì)驅(qū)動(dòng)足 處的縱振片，并以與之相位差為正負(fù)η/2的同頻正弦信號(hào)分別激勵(lì)定子左右的縱振壓電 陶瓷片，在驅(qū)動(dòng)足處形成應(yīng)力橢圓，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)。下面是基于交變力的直線超聲電機(jī)的例子利用壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)C^3激發(fā)出定子的振動(dòng)模態(tài)及中部貼片陶瓷的振 動(dòng)。圖1是電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要由定子、動(dòng)子組成。定子主要由兩個(gè)蘭杰文振子沿中 心線相互對(duì)接構(gòu)成，每個(gè)蘭杰文振子包括前端蓋3、后端蓋2、夾持件7、壓電陶瓷片4、電極 片5、螺栓9、摩擦片8。相接的兩個(gè)蘭杰文振子的壓電陶瓷片6共8片，分為四組，每?jī)善瑝?電陶瓷片6構(gòu)成一組，每組兩片壓電陶瓷片6之間夾有電極片5。每一組壓電陶瓷片6分別 布置在夾持件7的兩側(cè)。另外在兩個(gè)蘭杰文振子對(duì)接處平行于振子縱振面的表面粘貼一片 驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片4，在驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片4上再粘貼電極片5以及一片摩擦片8構(gòu)成 驅(qū)動(dòng)足。前端蓋2設(shè)有預(yù)緊力螺栓9，通過預(yù)緊力螺栓9將定子各部件連為一體，其前端蓋 3橫截面由后向前為漸縮狀態(tài)，形成超聲變幅桿，用以放大電機(jī)定子驅(qū)動(dòng)足處的振幅。電機(jī)定子壓電陶瓷片安放方式及電激勵(lì)方式見圖2，對(duì)接的蘭杰文振子有8片壓 電陶瓷片6，共分為四組，分別位于夾持件7的上下兩側(cè)，每組包含一對(duì)極化方向相反的壓 電陶瓷片6。每組壓電陶瓷片6的中間安放電極片5，用于外接激勵(lì)信號(hào)。另外在兩個(gè)蘭杰 文振子對(duì)接處平行于振子縱振面的表面粘貼一片驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片4，在驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片4上再粘貼電極片5以及一片摩擦片8構(gòu)成驅(qū)動(dòng)足，動(dòng)子為一直線導(dǎo)軌1與上述定 子布置成平行結(jié)構(gòu)，并在驅(qū)動(dòng)足處相互接觸。分別提供正弦激勵(lì)信號(hào)E = Usin(ω +π/2) 及E = U sin (αη-π / 給兩邊的四組壓電陶瓷片6，同時(shí)提供正弦激勵(lì)信號(hào)E = Usin ω t 給驅(qū)動(dòng)足處用陶瓷片4，同時(shí)激勵(lì)出定子的縱振以及驅(qū)動(dòng)足用陶瓷片4的伸縮運(yùn)動(dòng)，利用驅(qū) 動(dòng)足做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候驅(qū)動(dòng)力周期性變化驅(qū)動(dòng)動(dòng)子。
權(quán)利要求1.一種基于交變力的直線超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，其特征在于所述定子包括左 右兩個(gè)蘭杰文振子沿中心線對(duì)接構(gòu)成，每個(gè)蘭杰文振子包括前端蓋、后端蓋、壓電陶瓷片和 對(duì)應(yīng)的電極片組成，且每個(gè)蘭杰文振子整體呈截面由尾部向頭部漸縮的連續(xù)截面桿式結(jié) 構(gòu)，左右兩個(gè)蘭杰文振子的頭部對(duì)接連為一體，蘭杰文振子的下部設(shè)有夾持件，所述夾持件 安裝于一組壓電陶瓷片之間，所述定子的兩端設(shè)有預(yù)緊力螺栓，在兩個(gè)蘭杰文振子對(duì)接處 平行于振子縱振面的表面粘貼一片驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片，在驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片上再粘貼 電極片以及摩擦片構(gòu)成驅(qū)動(dòng)足，所述動(dòng)子為直線導(dǎo)軌，與所述定子設(shè)置成平行結(jié)構(gòu)，并在 驅(qū)動(dòng)足處相互接觸。
2.一種如權(quán)利要求1所述的直線超聲電機(jī)的電激勵(lì)方法，其特征在于 首先使用正弦信號(hào)激發(fā)驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片，它的伸縮使驅(qū)動(dòng)足表面擠壓應(yīng) 力呈周期性變化，于是驅(qū)動(dòng)足做往復(fù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候驅(qū)動(dòng)力會(huì)呈周期性變化；其 次對(duì)于定子左右的兩個(gè)蘭杰文振子，分別用與上述正弦信號(hào)相位差為正負(fù) π 2的同頻正弦信號(hào)激發(fā)出縱振模態(tài)，由于定子與動(dòng)子布置成平行結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)足處的定 子振動(dòng)仍舊平行于動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向，振動(dòng)中的定子與動(dòng)子由于摩擦作用產(chǎn)生沿動(dòng)子運(yùn)動(dòng)方 向的切向力，定子和動(dòng)子在接觸面上受切向和法向兩個(gè)交變力的作用，這兩個(gè)交變力在空 間相互垂直，在時(shí)間上相差#/2，動(dòng)子在兩個(gè)交變力的共同作用下做直線運(yùn)動(dòng)。
專利摘要一種基于交變力的直線超聲電機(jī)，包括定子和動(dòng)子，其特征在于所述定子包括左右兩個(gè)蘭杰文振子沿中心線對(duì)接構(gòu)成，每個(gè)蘭杰文振子包括前端蓋、后端蓋、壓電陶瓷片和對(duì)應(yīng)的電極片組成，且每個(gè)蘭杰文振子整體呈截面由尾部向頭部漸縮的連續(xù)截面桿式結(jié)構(gòu)，左右兩個(gè)蘭杰文振子的頭部對(duì)接連為一體，蘭杰文振子的下部設(shè)有夾持件，所述夾持件安裝于一組壓電陶瓷片之間，所述定子的兩端設(shè)有預(yù)緊力螺栓，在兩個(gè)蘭杰文振子對(duì)接處平行于振子縱振面的表面粘貼一片驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片，在驅(qū)動(dòng)足用壓電陶瓷片上再粘貼電極片以及摩擦片構(gòu)成驅(qū)動(dòng)足，所述動(dòng)子為一直線導(dǎo)軌，與所述定子設(shè)置成平行結(jié)構(gòu),并在驅(qū)動(dòng)足處相互接觸。本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)方案，有助于提高電機(jī)的速度、輸出力和運(yùn)行效率。該直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、輸出力大、速度大、效率高。
文檔編號(hào)H02N2/04GK201854204SQ20102062418
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者周勝利, 姚志遠(yuǎn), 沙金, 趙雷 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)