減摩并模態(tài)驅動的斜動子塔形壓電電機及其驅動方式的制作方法
【專利說明】
[0001]技術領域:
本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅動的斜動子塔形壓電電機及其驅動方式，屬壓電電機領域。
[0002]【背景技術】:
壓電電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應進行工作的新型動力輸出裝置。其中，直線壓電電機屬于壓電電機的一種。與傳統(tǒng)電磁電機相比，壓電電機具有低速大力矩，瞬態(tài)響應快，定位精度高，控制特性好，不產生磁場也不受磁場影響等優(yōu)點，在精密驅動，醫(yī)療器械，汽車，航空航天等領域有著廣泛的應用前景。
[0003]經對現有斜動子壓電電機的文獻檢索發(fā)現，專利發(fā)明人為黃衛(wèi)清、陳乾偉且專利授權號為ZL 200910185020.X的中國專利《雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機及電激勵方式》詳細描述了一種斜動子粘貼片式塔形直線壓電電機，這種塔形壓電電機具有以下典型特征:該電機由塔形定子和傾斜Θ度角的直線導軌組成，其中塔形定子包括塔形金屬體和兩相共六片壓電陶瓷兩部分，其中傾斜導軌由預壓力壓在塔形金屬體的驅動足上。塔形金屬體由一個驅動足、一個柔性放大圓孔和兩個矩形柱構成，塔形金屬體的外表面對稱地粘貼有六片壓電陶瓷，用于激發(fā)定子的兩個正交工作模態(tài):x-z面內對稱振動模態(tài)和y_z面內二階彎振模態(tài)。當用單相電壓信號激發(fā)定子的任意一個工作模態(tài)時，定子驅動足表面質點的運動軌跡相對于導軌是一條斜直線，且斜直線的傾斜方向隨工作模態(tài)的改變而改變，從而推動導軌正反向運動。
[0004]經對現有減摩并模態(tài)驅動壓電電機的文獻檢索發(fā)現，專利發(fā)明人為陳乾偉、周擴建和周霞且專利申請?zhí)枮镃N201310365952.9的中國專利《單模態(tài)并減摩驅動的單足板形壓電電機其工作模式》詳細描述了一種振子主體材料為壓電陶瓷的單驅動足板形壓電電機；這種板形壓電電機最典型的特征:它是基于減摩驅動與模態(tài)驅動相結合的驅動機理進行工作的。
[0005]在【背景技術】中的上述若干壓電電機雖然具有模態(tài)驅動原理和減摩驅動原理等值得稱道之處，但都存在各自的不足。
[0006]專利發(fā)明人為黃衛(wèi)清、陳乾偉且專利授權號為ZL 200910185020.X的中國專利《雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機及電激勵方式》所描述的斜動子粘貼片式塔形直線壓電電機的不足之處在于:該壓電電機采用的是單模態(tài)驅動，屬于成熟的設計方案；但是從科技進步的角度來看，應該在該專利所描述的斜動子粘貼片式塔形直線壓電電機的單模態(tài)驅動機理的基礎上，融入其它驅動機理，用于研發(fā)新型的壓電電機。解決此不足之處的辦法:在單模態(tài)驅動原理的基礎上，有機地融入減摩驅動原理，用于研發(fā)新型的壓電電機。
[0007]專利發(fā)明人為陳乾偉、周擴建和周霞且專利申請?zhí)枮镃N201310365952.9的中國專利《單模態(tài)并減摩驅動的單足板形壓電電機其工作模式》所描述的單驅動足板形壓電電機的不足之處在于:該壓電電機的單模態(tài)并減摩驅動機理中的單模態(tài)驅動部分采用的是非對稱激勵及非對稱衰減的E (3，I)振動模態(tài)；由于非對稱激勵及非對稱衰減的E (3，I)振動模態(tài)對板形壓電電機的結構形式和結構尺寸有特定的要求，限制了該壓電電機的適用范圍；此外，該壓電電機在非共振驅動方式下強迫振動的驅動是“stick-slip”驅動方式，“stick-slip”驅動方式的典型特征是在驅動過程中定子與動子始終保持接觸，限制了電機的功率輸出。解決這些不足之處的辦法:采用新的電機結構形式并采用與新結構相適應的工作模態(tài)進行單模態(tài)驅動；針對“stick-slip”驅動方式的不足，優(yōu)化電機的整體結構設計，提高電機的功率輸出。
[0008]
【發(fā)明內容】
:
本發(fā)明針對現有技術的不足，提出一種減摩并模態(tài)驅動、可實現正反向運動、結構簡單、推重比大、激振效率高、振動能利用率高、響應速度快的斜動子塔形壓電電機及其驅動方式。
[0009]為達此目的，本發(fā)明提供一種減摩并模態(tài)驅動的斜動子塔形壓電電機，塔形電機由塔形定子和傾斜動子構成，其中傾斜動子為一傾斜安裝角為Θ度的直線導軌，所述直線導軌在預壓力的作用下壓在塔形定子的驅動足上；塔形定子由塔形金屬體和三相共十片壓電陶瓷兩部分組成，其中塔形金屬體由一個驅動足、一個柔性放大圓孔、左矩形柱和右矩形柱構成，三相共十片壓電陶瓷對稱地粘貼在塔形金屬體的外表面，這些壓電陶瓷沿厚度方向極化，利用逆壓電d31效應激發(fā)塔形定子的振動；三相共十片壓電陶瓷包括A相、B相和C相共三相壓電陶瓷，其中塔形定子的A相和B相用于共振驅動方式下的模態(tài)驅動或非共振驅動方式下的強迫振動驅動，塔形定子的C相用于減摩驅動。
[0010]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅動的斜動子塔形壓電電機的進一步細化，所述減摩并模態(tài)驅動的斜動子塔形壓電電機的導軌傾斜安裝角Θ的設計原則如下，模態(tài)振幅沿定子與導軌接觸界面的法向分量要大于定子與導軌接觸界面的粗糙度Ra;即設定子的X — Z面內對稱振動模態(tài)的振幅為U，則此振動模態(tài)垂直于導軌的法向振動分量為:Uf=Ucos Θ ;設定子的1- z面內二階彎曲振動模態(tài)的振幅為V，則此振動模態(tài)垂直于導軌的法向振動分量為:Vf=Vsin Θ ;要使定子有效地驅動導軌，必須滿足以下條件:Ucos Θ >Ra, Vsin Θ >Ra ;所述導軌傾斜安裝角Θ的選擇范圍為arcsin(Ra/V)〈 Θ〈arccos (Ra/U)。
[0011]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅動的斜動子塔形壓電電機的進一步細化，所述斜動子塔形壓電電機設計有共振和非共振兩種驅動方式，在共振驅動方式，塔形定子在模態(tài)并減摩驅動下工作，推動導軌正反向運動；在非共振驅動方式，塔形定子在強迫振動并減摩驅動下工作，推動導軌正反向運動。
[0012]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅動的斜動子塔形壓電電機的進一步細化，所述斜動子塔形壓電電機在共振驅動方式下的接線方式與在非共振驅動方式下的接線方式相同，其接線方式如下:塔形金屬體用于接地；由分別貼在左矩形柱側面和右矩形柱側面的共兩塊壓電陶瓷片相互連接構成電機的A相，所述兩片壓電陶瓷分別為第一壓電陶瓷和第二壓電陶瓷；由分別貼在左矩形柱和右矩形柱前、后表面的共四片壓電陶瓷相互連接構成電機的B相，所述四片壓電陶瓷分別為第三壓電陶瓷、第四壓電陶瓷、第五壓電陶瓷和第六壓電陶瓷；由分別貼在驅動足下方前、后、左、右表面的共四片壓電陶瓷相互連接構成電機的C相，所述四片壓電陶瓷分別為第七壓電陶瓷、第八壓電陶瓷、第九壓電陶瓷和第十壓電陶瓷；壓電陶瓷的極化方向為沿壓電陶瓷的厚度方向進行極化，電機的A相和B相用于共振驅動方式下的模態(tài)驅動或非共振驅動方式下的強迫振動驅動，電機的C相用于減摩驅動。
[0013]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅動的斜動子塔形壓電電機的進一步細化，在共振驅動方式，驅動電機的工作模態(tài)分別為塔形定子的x-z面內對稱振動模態(tài)或y-ζ面內二階彎振模態(tài)，X-Z面內對稱振動模態(tài)的共振頻率為，y-ζ面內二階彎振模態(tài)的共振頻率為；同時以減摩方式驅動電機工作的為驅動足局部強迫縱振或驅動足局部強迫彎振或驅動足局部縱振模態(tài)或驅動足局部彎振模態(tài)，減摩驅動激勵信號的頻率為，；
其中x-z面內對稱振動模態(tài)由電機的A相激發(fā)，當定子以x-z面內對稱振動模態(tài)振動時，左矩形柱和右矩形柱產生局部彎振，并帶動驅動足產生垂直方向的振動；
其中y-z面內二階彎振模態(tài)由電機的B相激發(fā)，當定子以y-z面內二階彎振模態(tài)振動時,驅動足產生水平振動；
設沿斜導軌向左上為正方向，沿斜導軌向右下為負方向；
在電機的A相上施加的激勵信號為，接近；可激發(fā)x-z面內對稱振動模態(tài)，帶動定子的驅動足產生垂直方向的振動；同時電機的B相不輸入激勵信號，閑置不用；同時電機的C相輸入周期性間隔觸發(fā)的頻率為()的正弦波激勵信號，用于同時激發(fā)定子產生驅動足局部強迫縱振或驅動足局部強迫彎振或驅動足局部縱振模態(tài)或驅動足局部彎振模態(tài)，用于減摩驅動；相對于導軌而言，定子驅動足表面質點垂直方向的振動軌跡是一條往復運動的斜直線，它與導軌的夾角為(90 - Θ )度，推動壓在驅動足上的導軌正向運動；
在電機的B相上施加的激勵信號為，接近；可激發(fā)y-z面內二階彎振模態(tài)，帶動定子的驅動足產生水平方向的振動；同時電機的A相不輸入激勵信號，閑置不用；同時電機的C相輸入周期性間隔觸發(fā)的頻率為()的正弦波激勵信號，用于同時激發(fā)定子產生驅動足局部強迫縱振或驅動足局部強迫彎振或驅動足局部縱振模態(tài)或驅動足局部彎振模態(tài)，用于減摩驅動；相對于導軌而言，定子驅動足表面質點水平方向的振動軌跡是一條往復運動的斜直線，它與導軌的夾角為(180 - Θ )度，推動壓在驅動足上的導軌反向運動；上述在共振驅動方式下的減摩并模態(tài)驅動，在理論上比在共振驅動方式下單獨采用模態(tài)驅動或減摩驅動的輸出功率和輸出效率都要大。
[0014]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅動的斜動子塔形壓電電機的進一步細化，在非共振驅動方式，驅動電機工作的強迫振動的振型分別為塔形定子的X-Z面內強迫縱振或y — Z面內強迫彎曲振動，上述強迫振動激勵信號的頻率分別為和；同時以減摩方式驅動電機工作的為驅動足局部強迫縱振或驅動足局部強迫彎振或驅動足局部縱振模態(tài)或驅動足局部彎振模態(tài)，減摩驅動激勵信號的頻率為，；
其中x-z面內強迫縱振由電機的A相激發(fā)，當定子以x-z面內強迫縱振振動時，帶動驅動足產生垂直方向的振動；
其中y — z面內強迫彎曲振動由電機的B相激發(fā)，當定子以y - z面內強迫彎曲振動振動時,帶動驅動足產生水平振動；
設沿斜導軌向左上為正方向，沿斜導軌向右下為負方向；
在電機的A相上施加頻率為的激勵信號，可激發(fā)定子產生x-z面內強迫縱振，并帶動驅動足產生垂直方向的振動；同時電機的B相不輸入激勵信號，閑置不用；同時電機的C相輸入周期性間隔觸發(fā)的頻率為()的正弦波激勵信號，用于同時激發(fā)定子產生驅動足局部強迫縱振或驅動足局部強迫彎振或驅動足局部縱振模態(tài)或驅動足局部彎振模態(tài)，用于減摩驅動；相對于導軌而言，定子驅動足表面質點垂直方向的振動軌跡是一條往復運動的斜直線，它與導軌的夾角為(90 - Θ )度，推動壓在驅動足上的導軌正向運動；
在電機的B相上施加頻率為的激勵信號，