利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机及其电激励方法与流程

本发明公开了一种利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机及其电激励方法，属于超声电机的技术领域。

背景技术：

超声电机是20世纪80年代迅速发展和应用的一种新型微电机，它利用压电元件的逆压电效应和金属块的超声振动，并通过定子和动子之间的摩擦作用，把金属块的微幅振动转换成动子的宏观直线（旋转）运动，直接推动负载。它具有结构紧凑、低速大扭矩、响应快、定位精度高和电磁兼容性等优点。在航空航天、武器装备和精密驱动领域有着广泛的应用前景。

目前国内超声电机的研究发展很快，清华大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校先后对直线超声电机展开了研究。直线超声电机是超声电机的一种，按照直线超声电机工作时同时参与工作的共振模态的数目，直线超声电机可以分为复合模态驱动和单模态驱动两类。

在中国专利网上，陆续公开了申请号为200610132316.1名称为“棱柱型纵弯复合振子直线超声电机”、申请号为200810124426.2名称为“基于连续驱动杆原理的K形直线超声电机”等复合模态驱动的直线超声电机专利。但这些复合模态驱动的直线超声电机的有一个共同的缺点，就是要求电机的两个或多个工作模态的频率一致，这种要求不仅降低了电机设计的灵活性，还增加了电机的制造成本，也使得电机可驱动的频域变的狭窄。另外现公开的复合模态驱动的超声电机专利中，直线超声电机振子的振动模态多为二阶或高阶振动模态之间的复合，其振型较为复杂。

相对于复合模态电机的专利数量，单模态电机的专利数量则明显较少。在中国专利网上公布了一个申请号为200910184876.5名称为“双向单模态斜轨V形直线超声电机及电激励方式”的单模态直线超声电机专利。该直线超声电机有两个兰杰文振子通过驱动足相连形成V形结构；其工作原理是通过电激励分别激发出V形结构的对称和反对称模态，以此来实现电机的双向运动。但这种电机的驱动足与两个水平变幅杆（兰杰文振子）相连，这种结构影响了直线超声电机的机械性能及可靠性；另外选取的工作模态仍然是高阶振动模态，增加了电机的能量损耗。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明设计了一款利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机。该电机利用振子的两个非耦合的低阶振动模态来实现电机的双向运动，相对于利用高阶模态驱动的直线超声电机其机械效率有望得到了提高其结构简单紧凑、便于设计、易于小型化。

本发明设计的利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机，该电机包括定子1、动子2、底座5和支持装置；所述动子2直接固定在底座5上；定子1与动子2成角度的通过支持装置相互固定，并设置在底座上；其中，所述动子2的侧面贴有摩擦片4；所述定子1上设有驱动足16，所述驱动足16与摩擦片4相接触，所述定子1的一端通过支持装置铰支在底座5上，另一端与支持装置相接触；该电机利用定子1的单模态驱动动子2运动：当定子1在一阶弯振模态下工作时，定子1推动动子沿X轴正向运动；当定子1在一阶纵振模态下工作时，定子1推动动子2沿X轴反向运动。

所述定子1包括金属块11、压电陶瓷12、电极片13、加持元件14和螺钉15；所述压电陶瓷12成对设置，每对压电陶瓷12之间设有电极片13；所述加持元件14设置在定子1中间位置，两侧的压电陶瓷12和电极片13对称分布；在最外侧压电陶瓷12的外侧设有金属块11；压电陶瓷12、电极片13、加持元件14以及金属块11通过螺钉15同轴连接。

所述加持元件14两端为旋转端141和施力端142，所述支持装置包括旋转装置31和预压力施加装置32；其中，所述旋转端141通过旋转装置31铰支于底座5上，施力端142通过预压力施加装置32对定、动子施加预压力。

所述定子1的形状成矩形块状，定子驱动足16位于矩形块的一个角上。

所述定子1采用分区极化的压电陶瓷12，每两个相对的极化区域布置一个电极片13。

所述预压力施加装置32包括螺钉、底座紧定件以及高强度弹簧，所述底座紧定件固定在底座5上，所述高强度弹簧通过旋转螺钉对施力端142施加力载荷。

一种利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机的及其电激励方法，将电极片13分成a组17和b组18，给a、b两组电极片13分别施加相位差为0度的正弦或矩形波电压时，定子1在一阶纵振模态下工作，此时定子1推动动子2沿X轴反向运动；当a、b两组施加相位差为180度的正弦或矩形波电压时，定子1在一阶弯振模态下工作，此时定子1推动动子(2)沿X轴正向运动。

通过控制定子1与动子2之间的角度大小改变超声电机的机械输出性能。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明中定子设计有两个不同频率的工作模态，当定子在任意一个模态下工作时，定子驱动足表面质点的运动轨迹相对于导轨是一条斜直线，并且斜直线的倾斜方向随工作模态的改变而改变，从而推动动子进行正向或反向的直线运动；其次现有技术中，直线超声电机的定子振动模态多为二阶或高阶振动模态的耦合，振型较为复杂，而本发明设计的定子采用一阶纵振和一阶弯振这两个低阶模态，同时也不需要两个模态进行耦合，定子的振型很简单；另外现有超声电机技术中驱动足常与多个变幅杆相连，使所设计的直线超声电机的机械效率和稳定性降低，而本发明中的直线超声电机所包含的部件少，只有一个振子（V形电机有两个兰杰文振子），有助于提高直线超声电机的效率和稳定性性；同时本发明中的直线超声电机具有可驱动的频域宽、运行效率高、输出推力大、推重比大、组件少、结构简单、易于小型化和集成化等特点。

附图说明

图1为本发明利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机的结构示意图；

图2为本发明中定子的组装方式、压电陶瓷极化方向及电激励方式示意图；

图3为本发明中电机定子一阶弯振模态的示意图；

图4为本发明中电机定子一阶纵振模态的示意图；

图中标号说明：1定子；11金属块；12压电陶瓷；121无银层区；122激励区；13电极片；14加持元件；141旋转端；142施力端；15螺钉；16驱动足；17 a组电信号；18 b组电信号；19 І区；20 Ⅱ区；2动子；3支持装置；4摩擦陶瓷；5底座；6一阶弯振时驱动足的轨迹；7定子的伸长或收缩方向；8一阶纵振时驱动足的轨迹。

具体实施方式

本发明公布了一种新型的利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机及其电激励方法。

下文将详细描述本发明的实施方式，文中参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明所设计的一种新型的利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机如图1、2所示，该电机包括定子1、动子2、底座5和支持装置31、32；其特征在于，所述动子2直接通过螺钉紧定在底座5上；定子1与动子2成一定角度的通过支持装置31、32放置在底座5上。其中，所述动子2的侧面贴有摩擦片4；所述定子1上设有驱动足16、旋转端141和施力端142，其驱动足16与摩擦片4相接触，所述旋转端141通过旋转装置31铰支在底座5上，所述施力端142与预压力施加装置32相接触。

具体的，动子2用螺钉直接固定在底座5上，动子2的主要功能是获得直线运动；摩擦陶瓷片4贴在动子2的侧面上，主要为了增加定子1与动子2之间的摩擦力和接触的稳定性；定子1与动子2成一定角度的通过支持装置3放置在底座5上。定子1由金属块11、压电陶瓷12、电极片13、加持元件14和螺钉15组成；支持装置3有旋转装置31和预压力施加装置32组成。定子1的加持元件14有旋转端141和施力端142构成，旋转端141通过旋转装置31铰支于底座5上，确保定子1只能转动不能平动，施力端142通过预压力施加装置32对定、动子施加预压力。预压力施加装置32有螺钉、底座紧定件和高强度弹簧组成，定动子之间的预压力大小可以通过旋转预压力施加装置32中螺钉来改变。电机定子1的形状成矩形块状，定子驱动足16位于矩形块的一个边角上。定子1有偶数片压电陶瓷12和电极片13对称的分布于加持元件14的两侧。定子1采用分区极化的压电陶瓷12，每两个相对的极化区域122布置一个电极片13。

如图2所示，所述定子包括金属块11、压电陶瓷12、电极片13、加持元件14和螺钉15；所述压电陶瓷12成对设置，每对压电陶瓷12之间设有电极片13；所述加持元件14设置在中间位置，加持元件14两侧的压电陶瓷12和电极片13对称分布；在最外侧压电陶瓷12的外侧设有金属块11，压电陶瓷12、电极片13、加持元件14以及金属块11通过螺钉15同轴连接。

所述加持元件14两端为旋转端141和施力端142，所述支持装置31、32包括旋转装置31和预压力施加装置32；其中，所述旋转端141通过旋转装置31铰支于底座5上，施力端142通过预压力施加装置32对定、动子施加预压力。

一种新型的利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机定子压电陶瓷的极化方向及电激励方式如图2所示。该定子1利用压电陶瓷12的d₃₃效应，具有较强的机电耦合性，一定程度上提高了电机的输出功率。压电陶瓷12有孔的两个面有正极和负极之分，标有正极的平面中间有一没有银层的区域121。定子的四片电极片13以螺钉15为对称轴分成a组17和b组18，当a、b两组施加相位差为0度的正弦（矩形）波电信号时，定子1在一阶纵振模态下工作；当a、b两组施加相位差为180度的正弦（矩形）波电信号时，定子1在一阶弯振模态下工作。

一种新型的利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机定子的工作模态如图3、4所示。为了方便描述电机的定子1的振动状态，将定子1分成І区19和Ⅱ区20两个区域。在定子1一阶弯振模态下，定子1的І区19会伸长或收缩7而Ⅱ区20会收缩或伸长7，驱动足16端面质点的运动轨迹相对于动子2做往复的斜直线运动6，进而推动动子2沿X轴正向运动；同样的，如果定子在一阶纵振模态下，定子1的振动形式如图4所示，І区19和Ⅱ区20同时伸长或收缩7，驱动足16端面的质点运动轨迹相对于动子2也做往复的斜直线运动8，并且斜直线8的倾斜方向与一阶弯振时不同，从而推动动子2沿X轴反向运动。

一种新型的利用单模态驱动的矩形块状直线超声电机，利用定子的单模态驱动动子运动，不存在复合模态电机的频率一致性问题；另外该电机具有可驱动的频域宽、运行效率高、输出推力大、推重比大、组件少、结构简单、易于小型化和集成化等优点。