减摩并模态驱动的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]经对现有塔形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 200910184873.1的中国专利《塔形直线超声电机及电激励方式》详细描述了一种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动子组成，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，其中动子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，两相共六片压电陶瓷对称地粘贴在塔形金属体的外表面。塔形定子设计有两个正交工作模态:x — z面内弯曲振动模态和y — z面内含局部弯振的对称振动模态，用两路相位差为η/2的正弦信号同时激励塔形定子的两个正交工作模态，使塔形定子的驱动足端面上产生椭圆运动，经摩擦作用推动动子正反向运动。
[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、鞠全勇和郭语且专利申请号为CN201310351594.6的中国专利《双模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式》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 200910184873.1的中国专利《塔形直线超声电机及电激励方式》所描述的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两正交模态驱动，属于很成熟的设计方案；但是从科技进步的角度来看，应该在该专利所描述的粘贴片式塔形直线压电电机的双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、鞠全勇和郭语且专利申请号为CN201310351594.6的中国专利《双模态并减摩驱动的单驱动足板形压电电机及其工作模式》所描述的板形压电电机的不足之处在于:该压电电机的双模态并减摩驱动机理中的双模态驱动部分采用的是一阶纵振和二阶弯振相组合的两正交模态驱动，由于双模态驱动部分的一阶纵振和二阶弯振特定的组合方式，以及的板形压电电机特定的结构形式，限制了该压电电机的适用范围。解决此不足之处的办法:采用两个新的正交模态进行组合，进行新组合的模态驱动；采用与两个新的正交模态相适应的新的电机结构形式。
[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塔形压电电机，塔形电机由塔形定子和动子构成，其中动子为一直线导轨，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；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A相压电陶瓷包含两片压电陶瓷，分别为第一压电陶瓷和第二压电陶瓷；B相压电陶瓷包含四片压电陶瓷，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；C相压电陶瓷包含四片压电陶瓷，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；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塔形压电电机，其驱动方式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。
[0011 ] 作为本发明驱动方式的进一步细化，在共振驱动方式，驱动电机工作的双模态为两个正交工作模态，分别为塔形定子的X-Z面内对称振动模态和y-z面内二阶弯振模态；其中X-Z面内对称振动模态由分别贴在左矩形柱侧面和右矩形柱侧面的第一压电陶瓷和第二压电陶瓷激发，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,并带动驱动足产生局部纵振；
其中y-z面内二阶弯振模态由分别贴在左矩形柱和右矩形柱前、后表面的第三压电陶瓷、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；
由于塔形定子的X-Z面内对称振动模态和y-z面内二阶弯振模态分别由不同的压电陶瓷片组进行激发，χ-ζ面内对称振动模态和y-z面内二阶弯振模态在控制上是解耦的，进而实现塔形压电电机的法向振动和切向振动进行相互独立地控制；这对于压电电机输出性能的控制具有重要意义；
所述塔形定子的χ-ζ面内对称振动模态和y-z面内二阶弯振模态具有频率一致性，即χ-ζ面内对称振动模态的共振频率和y-z面内二阶弯振模态的共振频率符合；两个正交工作模态激励信号的频率为，接近和；
当上述两个正交工作模态具有较好的频率一致性时，通以η/2相位差的两路频率为的同频正弦信号，接近和，塔形定子的两个正交工作模态将会被同时激发出来，使塔形定子的驱动足端面产生椭圆运动，推动压在驱动足上的动子运动；动子运动的正、反方向可由两相正弦信号的相位差确定:π /2相位差使动子正向运动、一 τι /2相位差使动子反向运动；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，由分别贴在驱动足下方前、后、左、右表面的第七压电陶瓷、第八压电陶瓷、第九压电陶瓷和第十压电陶瓷激发，减摩驱动激励信号的频率为，。
[0012]作为本发明驱动方式的进一步细化，在共振驱动方式下的接线方式如下，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第一压电陶瓷和第二压电陶瓷相互连接构成电机的A相，电机的A相用于激发x-z面内对称振动模态；由分别贴在左矩形柱和右矩形柱前、后表面的第三压电陶瓷、第四压电陶瓷、第五压电陶瓷和第六压电陶瓷相互连接构成电机的B相，电机的B相用于激发y-z面内二阶弯振模态；由分别贴在驱动足下方前、后、左、右表面的第七压电陶瓷、第八压电陶瓷、第九压电陶瓷和第十压电陶瓷相互连接构成电机的C相，电机的C相也是电机在共振驱动方式的减摩驱动相；本发明用上述共振驱动方式下的接线方式，为该电机实现在共振驱动方式下的减摩并模态驱动打下基础。
[0013]作为本发明驱动方式的进一步细化，在共振驱动方式，电机的A相和B相同时输入^ /2相位差的两路频率为的同频连续正弦波激励信号，用于激发塔形定子同时产生x-z面内对称振动模态和y-z面内二阶弯振模态，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；当电机的A相输入频率为的连续sin信号，同时电机的B相输入频率为的连续cos信号,此时A相输入信号在相位上超前B相输入信号η /2，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时，导轨将产生定向运动；当电机的A相输入频率为的连续cos信号，同时电机的B相输入频率为的连续sin信号，此时A相输入信号在相位上滞后B相输入信号π /2,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时，导轨将产生反向的定向运动；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]作为本发明驱动方式的进一步细化，在非共振驱动方式，驱动电机工作的强迫振动的振型为塔形定子的1- Z面内强迫弯曲振动，y - Z面内强迫弯曲振动激励信号的频率为；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，。
[0015]作为本发明驱动方式的进一步细化，在非共振驱动方式下的接线方式如下，塔形金属体用于接地；分别贴在左矩形柱侧面和右矩形柱侧面的第一压电陶瓷和第二压电陶瓷闲置不用，不输入信号；由分别贴在左矩形柱和右矩形柱前、后表面的第三压电陶瓷、第四压电陶瓷、第五压电陶瓷和第六压电陶瓷相互连接构成电机的B相，电机的B相用来激发塔形定子产生y — z面内强迫弯曲振动；由分别贴在驱动足下方前、后、左、右表面的第七压电陶瓷、第八压电陶瓷、第九压电陶瓷和第十压电陶瓷相互连接构成电机的C相，电机的C相也是电机在非共振驱动方式的减摩驱动相。本发明用上述在非共振驱动方式下的接线方式，为该电机实现在非共振驱动