减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机及其驱动方式的制作方法
【专利说明】
[0001]技术领域:
本发明的减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机及其驱动方式，属压电电机领域。
[0002]【背景技术】:
压电电机是利用压电陶瓷的逆压电效应进行工作的新型动力输出装置。其中，直线压电电机属于压电电机的一种。与传统电磁电机相比，压电电机具有低速大力矩，瞬态响应快，定位精度高，控制特性好，不产生磁场也不受磁场影响等优点，在精密驱动，医疗器械，汽车，航空航天等领域有着广泛的应用前景。
[0003]经对现有斜动子压电电机的文献检索发现，专利发明人为黄卫清、陈乾伟且专利授权号为ZL 200910185020.X的中国专利《双向单模态斜轨塔形直线超声电机及电激励方式》详细描述了一种斜动子粘贴片式塔形直线压电电机，这种塔形压电电机具有以下典型特征:该电机由塔形定子和倾斜Θ度角的直线导轨组成，其中塔形定子包括塔形金属体和两相共六片压电陶瓷两部分，其中倾斜导轨由预压力压在塔形金属体的驱动足上。塔形金属体由一个驱动足、一个柔性放大圆孔和两个矩形柱构成，塔形金属体的外表面对称地粘贴有六片压电陶瓷，用于激发定子的两个正交工作模态:x-z面内对称振动模态和y_z面内二阶弯振模态。当用单相电压信号激发定子的任意一个工作模态时，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，且斜直线的倾斜方向随工作模态的改变而改变，从而推动导轨正反向运动。
[0004]经对现有减摩并模态驱动压电电机的文献检索发现，专利发明人为陈乾伟、周扩建和周霞且专利申请号为CN201310365952.9的中国专利《单模态并减摩驱动的单足板形压电电机其工作模式》详细描述了一种振子主体材料为压电陶瓷的单驱动足板形压电电机；这种板形压电电机最典型的特征:它是基于减摩驱动与模态驱动相结合的驱动机理进行工作的。
[0005]在【背景技术】中的上述若干压电电机虽然具有模态驱动原理和减摩驱动原理等值得称道之处，但都存在各自的不足。
[0006]专利发明人为黄卫清、陈乾伟且专利授权号为ZL 200910185020.X的中国专利《双向单模态斜轨塔形直线超声电机及电激励方式》所描述的斜动子粘贴片式塔形直线压电电机的不足之处在于:该压电电机采用的是单模态驱动，属于成熟的设计方案；但是从科技进步的角度来看，应该在该专利所描述的斜动子粘贴片式塔形直线压电电机的单模态驱动机理的基础上，融入其它驱动机理，用于研发新型的压电电机。解决此不足之处的办法:在单模态驱动原理的基础上，有机地融入减摩驱动原理，用于研发新型的压电电机。
[0007]专利发明人为陈乾伟、周扩建和周霞且专利申请号为CN201310365952.9的中国专利《单模态并减摩驱动的单足板形压电电机其工作模式》所描述的单驱动足板形压电电机的不足之处在于:该压电电机的单模态并减摩驱动机理中的单模态驱动部分采用的是非对称激励及非对称衰减的E (3，I)振动模态；由于非对称激励及非对称衰减的E (3，I)振动模态对板形压电电机的结构形式和结构尺寸有特定的要求，限制了该压电电机的适用范围；此外，该压电电机在非共振驱动方式下强迫振动的驱动是“stick-slip”驱动方式，“stick-slip”驱动方式的典型特征是在驱动过程中定子与动子始终保持接触，限制了电机的功率输出。解决这些不足之处的办法:采用新的电机结构形式并采用与新结构相适应的工作模态进行单模态驱动；针对“stick-slip”驱动方式的不足，优化电机的整体结构设计，提高电机的功率输出。
[0008]
【发明内容】
:
本发明针对现有技术的不足，提出一种减摩并模态驱动、可实现正反向运动、结构简单、推重比大、激振效率高、振动能利用率高、响应速度快的斜动子塔形压电电机及其驱动方式。
[0009]为达此目的，本发明提供一种减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机，塔形电机由塔形定子和倾斜动子构成，其中倾斜动子为一倾斜安装角为Θ度的直线导轨，所述直线导轨在预压力的作用下压在塔形定子的驱动足上；塔形定子由塔形金属体和三相共十片压电陶瓷两部分组成，其中塔形金属体由一个驱动足、一个柔性放大圆孔、左矩形柱和右矩形柱构成，三相共十片压电陶瓷对称地粘贴在塔形金属体的外表面，这些压电陶瓷沿厚度方向极化，利用逆压电d31效应激发塔形定子的振动；三相共十片压电陶瓷包括A相、B相和C相共三相压电陶瓷，其中塔形定子的A相和B相用于共振驱动方式下的模态驱动或非共振驱动方式下的强迫振动驱动，塔形定子的C相用于减摩驱动。
[0010]作为本发明的减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机的进一步细化，所述减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机的导轨倾斜安装角Θ的设计原则如下，模态振幅沿定子与导轨接触界面的法向分量要大于定子与导轨接触界面的粗糙度Ra;即设定子的X — Z面内对称振动模态的振幅为U，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为:Uf=Ucos Θ ;设定子的1- z面内二阶弯曲振动模态的振幅为V，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为:Vf=Vsin Θ ;要使定子有效地驱动导轨，必须满足以下条件:Ucos Θ >Ra, Vsin Θ >Ra ;所述导轨倾斜安装角Θ的选择范围为arcsin(Ra/V)〈 Θ〈arccos (Ra/U)。
[0011]作为本发明的减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机的进一步细化，所述斜动子塔形压电电机设计有共振和非共振两种驱动方式，在共振驱动方式，塔形定子在模态并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动；在非共振驱动方式，塔形定子在强迫振动并减摩驱动下工作，推动导轨正反向运动。
[0012]作为本发明的减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机的进一步细化，所述斜动子塔形压电电机在共振驱动方式下的接线方式与在非共振驱动方式下的接线方式相同，其接线方式如下:塔形金属体用于接地；由分别贴在左矩形柱侧面和右矩形柱侧面的共两块压电陶瓷片相互连接构成电机的A相，所述两片压电陶瓷分别为第一压电陶瓷和第二压电陶瓷；由分别贴在左矩形柱和右矩形柱前、后表面的共四片压电陶瓷相互连接构成电机的B相，所述四片压电陶瓷分别为第三压电陶瓷、第四压电陶瓷、第五压电陶瓷和第六压电陶瓷；由分别贴在驱动足下方前、后、左、右表面的共四片压电陶瓷相互连接构成电机的C相，所述四片压电陶瓷分别为第七压电陶瓷、第八压电陶瓷、第九压电陶瓷和第十压电陶瓷；压电陶瓷的极化方向为沿压电陶瓷的厚度方向进行极化，电机的A相和B相用于共振驱动方式下的模态驱动或非共振驱动方式下的强迫振动驱动，电机的C相用于减摩驱动。
[0013]作为本发明的减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机的进一步细化，在共振驱动方式，驱动电机的工作模态分别为塔形定子的x-z面内对称振动模态或y-ζ面内二阶弯振模态，X-Z面内对称振动模态的共振频率为，y-ζ面内二阶弯振模态的共振频率为；同时以减摩方式驱动电机工作的为驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，减摩驱动激励信号的频率为，；
其中x-z面内对称振动模态由电机的A相激发，当定子以x-z面内对称振动模态振动时，左矩形柱和右矩形柱产生局部弯振，并带动驱动足产生垂直方向的振动；
其中y-z面内二阶弯振模态由电机的B相激发，当定子以y-z面内二阶弯振模态振动时,驱动足产生水平振动；
设沿斜导轨向左上为正方向，沿斜导轨向右下为负方向；
在电机的A相上施加的激励信号为，接近；可激发x-z面内对称振动模态，带动定子的驱动足产生垂直方向的振动；同时电机的B相不输入激励信号，闲置不用；同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为()的正弦波激励信号，用于同时激发定子产生驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，用于减摩驱动；相对于导轨而言，定子驱动足表面质点垂直方向的振动轨迹是一条往复运动的斜直线，它与导轨的夹角为(90 - Θ )度，推动压在驱动足上的导轨正向运动；
在电机的B相上施加的激励信号为，接近；可激发y-z面内二阶弯振模态，带动定子的驱动足产生水平方向的振动；同时电机的A相不输入激励信号，闲置不用；同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为()的正弦波激励信号，用于同时激发定子产生驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，用于减摩驱动；相对于导轨而言，定子驱动足表面质点水平方向的振动轨迹是一条往复运动的斜直线，它与导轨的夹角为(180 - Θ )度，推动压在驱动足上的导轨反向运动；上述在共振驱动方式下的减摩并模态驱动，在理论上比在共振驱动方式下单独采用模态驱动或减摩驱动的输出功率和输出效率都要大。
[0014]作为本发明的减摩并模态驱动的斜动子塔形压电电机的进一步细化，在非共振驱动方式，驱动电机工作的强迫振动的振型分别为塔形定子的X-Z面内强迫纵振或y — Z面内强迫弯曲振动，上述强迫振动激励信号的频率分别为和；同时以减摩方式驱动电机工作的为驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，减摩驱动激励信号的频率为，；
其中x-z面内强迫纵振由电机的A相激发，当定子以x-z面内强迫纵振振动时，带动驱动足产生垂直方向的振动；
其中y — z面内强迫弯曲振动由电机的B相激发，当定子以y - z面内强迫弯曲振动振动时,带动驱动足产生水平振动；
设沿斜导轨向左上为正方向，沿斜导轨向右下为负方向；
在电机的A相上施加频率为的激励信号，可激发定子产生x-z面内强迫纵振，并带动驱动足产生垂直方向的振动；同时电机的B相不输入激励信号，闲置不用；同时电机的C相输入周期性间隔触发的频率为()的正弦波激励信号，用于同时激发定子产生驱动足局部强迫纵振或驱动足局部强迫弯振或驱动足局部纵振模态或驱动足局部弯振模态，用于减摩驱动；相对于导轨而言，定子驱动足表面质点垂直方向的振动轨迹是一条往复运动的斜直线，它与导轨的夹角为(90 - Θ )度，推动压在驱动足上的导轨正向运动；
在电机的B相上施加频率为的激励信号，