专利名称：一种三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直线电机，尤其涉及一种三相纵振模态驱动的大推力压电直线 电机。
背景技术：
压电直线电机(Piezoelectric Linear Motor, PLM)是超声电机的一个重要分 支，它利用压电陶瓷的逆压电效应激发弹性体的超声振动而把机械能转换为电能，再通过 定子与动子间的摩擦过程把弹性体的微幅振动转换为动子的宏观直线运动并推动负载。与 电磁电机相比，PLM具有动力密度大、响应快、直接驱动、定位准、无噪声、结构灵活、电磁兼 容，小型轻量化等一系列优点，在航空航天工程、机器人、精密定位仪、微型机械、生物医学 工程等众多领域内具有广泛的应用前景，是当今国内外微特电机研究领域内的一个热点。 自新世纪肇始以来，日本、德国、美国、立陶碗、韩国、以色列、新加坡等国家的许多研究者先 后投入大量力量开展了 PLM研究，并且研制出了多种结构类型的直线超声电机。在现有的 研究中，相较而言，日本的PLM技术发展最快，它掌握了 PLM的大多数专利与技术。国内的 LUSM研究始于上世纪90年代末，南京航空航天大学、清华大学、华中科大、上海大学和中科 院等多所高校和科研院所都为此做了不少工作并取得一些成果。特别是，南京航大赵淳生 院士领导的精密驱动研究小组，近年来推出了多型系列PLM样机，标志着我国直线超声电 机的研究水平与世界先进水平已经非常接近。纵览国内外PLM技术的发展与现状，可以清晰地看到，一方面目前PLM的发展十分 迅猛，其应用步伐正在加快，特别是，在微型和小型精密驱动与控制应用逐渐显现出替代电 磁直线电机之势，但与此同时，也不难发现，迄今为止的PLM技术还远远谈不上成熟，它还 普遍存在输出动力较小、效率不高、性能欠稳、寿命不长等一系列问题，离广泛的产业化应 用还有一段不小距离。特别是，目前的PLM仍然极其有限的结构型式使其还无法满足应用 领域对其提出的大动力、高精度、响应更快、结构多样等多方面需求。在这种背景下，不断地 推出压电直线电机新原理与结构已成为PLM研究的重要方面。与此相契应，本发明推出一 种全新原理的精密大推力直线超声电机，对于推进PLM技术的发展和应用，无疑具有一定 的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供了 一种三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机，该电机 具有亚微米级甚至更高的定位精度、毫秒级响应速度、大推力、结构简单等特点，能输出较 高速度，适应范围广阔。本发明是这样来实现的，它包括定子组件、动子组件和支座组件，其特征在于定 子组件通过螺钉连接支座组件，动子组件通过滚动导轨副连接支座组件，定子组件通过摩 擦副连接动子组件；所述定子组件包括一个横杆I1和两个纵杆12、13以及配置在横杆I1与 纵杆12、13中部的压电叠层14、15、16，两个纵杆12、13分别通过设于横杆I1两端的方槽与横杆I1相贯穿形成移动副联接，并且纵杆与横杆I1垂直呈现“H”型结构，压电叠层I4配置在 横杆I1的一阶纵振节点附近，压电叠层15、16配置在纵杆12、13中间位置，用以实现定子组 件的激振；所述动子组件包括滚珠体、盖板，L型弯板、矩形侧板、调整垫片，矩形侧板通过 螺钉经由调整垫片连接在L型弯板上，在L型弯板及矩形侧板的底部均钻有成排的小圆孔， 以容纳滚珠体，当滚珠体装入圆孔后用盖板将其封堵在小孔内，两封堵盖板分别通过螺钉 连接在L形弯板与矩形侧板上，盖板上也钻了一排小孔，并且盖板各孔的位置与L型板、矩 形侧板上孔的位置对应，孔径比滚珠体直径略小；所述支座组件包括支座体和四个限位块， 在支座体的两侧开设了两个导向槽，动子组件通过滚珠体连接支座体，限位块通过螺钉连 接在支座体上，支座体上钻有四个安装孔。置于定子组件横杆I1上压电叠层I4和纵杆12、13上的压电叠层15、16，在受到在时 间上相位差为90°同频余弦和正弦电信号作用时，将分别激发出横杆I1和纵杆12、13的在空 间上正交的三相一阶纵振模态，致使纵杆12、13的驱动端质点形成椭圆运动而交替地对动 子组件进行驱动。所述定子基体材料为轧制磷青铜。本发明的技术效果是(1)利用压电叠层的d33效应激励横杆和纵杆的纵向振 动来推动，可使电机输出较大动力；(2)定子组件中两纵杆在同一个振动周期对动子组件 进行交替驱动，可使电机输出较大的速度并增大电机推力；(3)定子振动频率高、驱动步距 小、位置分辨率高，可使电机实现亚微米级甚至更高的定位精度；(4)定子组件呈平面H型 结构，有利于实现电机的薄型化和轻量化；(5)动子组件设计成具有适度柔性的结构，可 保证定子组件与动子组件较理想的摩擦接触状态，有利于改善电机稳定性并减小其发热； (6)动子组件与支座组件间采用滚珠导轨，可大大减小电机运行阻力并有利于提高电机的 效率和响应速度。
图1是三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机结构示意图。图2是三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机定子组件结构示意图。图3是三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机动子组件结构示意图。图4是三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机支座组件结构示意图。图5是三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机运动原理示意图一。图6是三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机运动原理示意图二。图7是三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机运动原理示意图三。图8是三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机运动原理示意图四。图9是三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机运动原理示意图五。图1、图3、图4和图5中标号名称1 一定子组件，2—动子组件，3—支座组件，4一 压电叠层，5—限位块，6—滚珠体，7—螺钉，8—调整垫片，9一L型弯板，10—矩形侧板，11— 盖板，12—盖板螺钉，13—支座安装孔，14一支座体。图2中山一横杆，I2—左侧杆，I3—右侧杆，I4一横杆压电叠层，I5—左侧杆压电叠 层，16_右侧杆压电叠层，17_定子定位孔，18_连接螺钉。
具体实施例方式如图1、2、3、4所示，本发明是这样实现的，它包括定子组件(1)、动子组件(2)和支 座组件(3)，其特征在于定子组件(1)通过螺钉连接支座组件(3)，动子组件(2)通过滚动 导轨副连接支座组件，定子组件(1)通过摩擦副连接动子组件(2)；所述定子组件包括一个 横杆I1和两个纵杆12、13以及配置在横杆I1与纵杆12、13中部的压电叠层14、15、16，两个纵 杆12、13分别通过设于横杆I1两端的方槽与横杆I1相贯穿形成移动副联接，并且纵杆与横 杆I1垂直呈现“H”型结构，压电叠层I4配置在横杆I1的一阶纵振节点附近，压电叠层15、 I6配置在纵杆12、13中间位置，用以实现定子组件(1)的激振；所述动子组件(2)包括滚珠 体(6)、盖板(11)，L型弯板(9)、矩形侧板(10)、调整垫片(8)，矩形侧板(10)通过螺钉(12) 经由调整垫片(8)连接在L型弯板(9)上，调整垫片(8)用于调节定子组件(1)与动子组件 (2)间的预紧力。在L型弯板(9)及矩形侧板的(10)底部均钻有成排的小圆孔，以容纳滚 珠体(6)，当滚珠体(6)装入圆孔后用盖板(11)将其封堵在小孔内，两封堵盖板(11)分别通 过螺钉(12)连接在L形弯板(9)与矩形侧板(10)上，盖板(11)上也钻了一排小孔，并且盖 板各孔的位置与L型板(9)、矩形侧板(10)上孔的位置对应，孔径比滚珠体(6)直径略小； 所述支座组件(3 )包括支座体(14 )和四个限位块(5 )，在支座体(14 )的两侧开设了两个导 向槽，用作动子组件滚珠体(6)滑行的滚道并对动子组件(2)的运动起导向作用，动子组件 (2 )通过滚珠体(6 )连接支座体(14 )，限位块(5 )通过螺钉连接在支座体上，用以限制动子 组件(1)的行程并保证其滚珠体(6)不脱离滚道，支座体(14)上钻有四个安装孔(13)用于 电机与机架间的安装。置于定子组件(1)横杆I1上压电叠层I4和纵杆12、13上的压电叠层 15、16，在受到在时间上相位差为90°同频余弦和正弦电信号作用时，将分别激发出横杆“和 纵杆12、13的在空间上正交的三相一阶纵振模态，致使纵杆12、13的驱动端质点形成椭圆运 动而交替地对动子组件进行驱动，电机正是利用纵杆驱动端的椭圆运动，并通过定子组件 (1)与动子组件(2 )之间摩擦作用，推动动子组件(2 )作往复直线运动。所述定子基体材 料为轧制磷青铜。电机运转时，在定子组件的横杆I1和纵杆12、13上的压电叠层(4)上分别施加频 率处于超声频域的同频电功率信号对定子组件(1)进行激励，这样就在横杆I1和纵杆12、13 上分别激发出一阶纵振模态。两相振动在定子组件上合成结果即是在纵杆12、13的驱动端 处形成质点椭圆运动。电机即通过该椭圆运动并利用定子组件(1)与动子组件(2)之间的 摩擦作用推动动子组件(2)作往复直线运动。附图2为所发明电机中的定子组件的结构示 意图。定子组件由一个横杆I1和两个纵杆12、13及分别配置在横杆I1与纵杆12、13上的压 电叠层14、15、16组成，其主体呈“H”型结构。两纵杆12、13的形状、尺寸、材料及压电叠层配 置形式完全相同。纵杆12、I3分别穿过开设于横杆I1两端的方槽而与横杆I1横相贯穿形成 了移动副联接，并且与横杆I1垂直。之所以在横杆与纵杆间采用移动副，主要是考虑这样能 方便地实现横杆与纵杆工作模态频率的一致性，从而有利于在纵杆12、13的驱动端形成较 为理想的椭圆运动。在横杆I1上配置了两组压电叠层，它们分别安装在靠近横杆I1的中部 或一阶纵振模态节点附近位置，两组压电叠层均由置于横杆内的连接螺钉I8紧固于横杆I1 杆体。从理论上讲，压电叠层宜置于横杆I1的一阶纵振节点上，但考虑到需为定子组件(1) 的固定预留位置，而横杆I1的纵振节点即是最佳位置，所以在横杆I1正中间开设出一个用 以固定定子组件的通孔17，而让压电叠层装在偏离小孔一小段距离的位置。通过有限元计算，横杆I1的这种配置对杆的其一阶纵振模态基本上不会产生太大影响，这样一来，定子组 件就通过横杆I1中部定位孔连接在支座组件(3)。在横杆I1的两端均铣出一个较小凹槽， 作为紧固压电叠层的螺钉的沉头座之用。纵杆12、13上的压电叠层安放在杆的一阶纵振节 点处位置。横杆I1和纵杆12、13上的压电叠层均由四片压电陶瓷组合并通过螺钉紧固而实 现。将压电陶瓷叠层安放在横杆I1和纵杆12、13中部，是因为这样能使压电叠层对弹性杆 实施高效的激振。附图5、6、7、8、9所示，给出了电机的定子组件(1)在一个电激励周期内动子组件 (2)的驱动机理及电机的工作原理。本发明选取定子组件(1)的横杆I1和纵杆12、13的一 阶纵振模态作为电机的工作模态。为在定子组件(1)上同时激发横杆I1和纵杆12、13的工 作模态，在横杆I1和纵杆12、13的压电叠层通入同频的、时间相位差为90°的谐波电功率激 励信号，在这种情况下，定子组件(1)对动子组件(2)的驱动可概括为以下几个步骤
(1)附图5、图6、图7、图8给出了定子组件(1)驱动动子组件(2 )做正向运动的过程。 如附图5所示，为了推动动子组件(1)作正向运动，需在横杆I1的压电叠层上接入正弦激 励信号m ,在纵杆12、I3的压
电叠层分别施加反相的余弦电激励信号玛和-禺cos·。在 = 0的时刻，纵杆I2两
端的伸长量与I3两端的收缩量均为最大值，而横杆I1的变形量为0，纵杆I2两端与动子组 件(2)接触而I3与则与动子组件(2)不接触。(2)在定子组件(1)激励的第1个1/4周期内，纵杆I2的两端向中间收缩，其纵向
变形量由最大值逐渐下降为0，但纵杆I2保持与动子组件(2)接触；纵杆I3的两端则向外 延伸，其纵向变形量由负的最大值逐渐回复为0，但纵杆I3不与动子组件(2)接触；在纵杆 I2与动子组件(2)接触的同时，横杆I1的两端向外延伸并使其纵向变形量由0逐渐延伸至 最大值，这样，纵杆I2的驱动端的质点就会推动动子组件(2)向前移动一个步距Λ，使电机 处于图6所示的状态。(3)在定子组件(1)激励的第2个1/4周期内，纵杆I2的两端继续向中部收缩，其
变形量也由O逐渐收缩至负的最大值，使纵杆I2脱离与动子组件(2)接触；纵杆I3的两端 则向外延伸，其变形量由0逐渐伸至正的最大值，致使I3与动子组件(2)接触，与此同时，横 杆I1的两端向内回缩，使变形量由正的最大回复为0，这样，纵杆I3的驱动端将推动动子组 件(2)向前再递进一个步距ι使电机处于图7所示的状态。(4)在定子组件(1)激励的第3个1/4周期内，纵杆I2的两端向外伸长使其变形量
由负的最大值逐渐回复至0，但纵杆I2仍与定子组件不接触；纵杆I3的两端则向中部回缩， 其变形量也由最大值逐渐降至0，纵杆I3与动子组件(2)持续接触；与此同时，横杆I1两端 进一步向内回缩，使其变形量由0下降至负的最大值，这就使纵杆I3能推动动子继续向前 移动一个步距i使电机处于图8所示的状态。(5)在定子组件(1)激励的第4个1/4周期内，纵杆I2的两端继续向外延伸，其变
形量由0逐渐上升到最大值而使I2与动子组件(2)进行接触；纵杆I3的两端则继续向内回 缩，其变形量也由0进一步下降到负的最大值，纵杆I3与动子组件(2)仍不接触，这样，纵杆
I2的驱动端推动动子组件(2)向前递进最后一个步距;i，使电机处于图5所示的状态。
定子组件(1)的纵杆驱动端周而复始地对动子组件(2)实施上述过程，使动子组 件(2)不断的向前运行。每当经过一个激励周期后，动子组件(2)就向前行进4个步距位 移，这就保证了本发明电机不仅具有较高的位置分辨率且能输出较高速度。图9给出了驱使动子组件(2)作反向直线运动的压电陶瓷激励方式。从图中可 以看出，要改变电机的运动方向，只需改变横杆I1与纵杆12、13的相位超前、滞后关系，即只 要在横杆压电叠层上施加信号-IsmOK ,在纵杆I2和I3的压电叠层上分别接入激励信号
馬⑶Sa 和-玛,就能使两纵杆驱动端上的质点作反向椭圆运动，从而推进动子组件
(2)作反向直线运动。动子组件作反相运动时，纵杆驱动端对动子组件推动顺序与正向驱动 时的情况基本相同。
权利要求
1.一种三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机，它包括定子组件(1)、动子组件(2) 和支座组件(3)，其特征在于定子组件(1)通过螺钉连接支座组件(3)，动子组件(2)通过 滚动导轨副连接支座组件，定子组件(1)通过摩擦副连接动子组件(2)；所述定子组件包括 一个横杆I1和两个纵杆12、13以及配置在横杆I1与纵杆12、13中部的压电叠层14、15、16，两 个纵杆12、I3分别通过设于横杆I1两端的方槽与横杆I1相贯穿形成移动副联接，并且纵杆 与横杆I1垂直呈现“H”型结构，压电叠层I4配置在横杆I1的一阶纵振节点附近，压电叠层 15、16配置在纵杆12、13中间位置，用以实现定子组件(1)的激振；所述动子组件(2)包括滚 珠体(6)、盖板(11)，L型弯板(9)、矩形侧板(10)、调整垫片(8)，矩形侧板(10)通过螺钉 (12)经由调整垫片(8)连接在L型弯板(9)上，在L型弯板(9)及矩形侧板的(10)底部均钻 有成排的小圆孔，以容纳滚珠体(6)，当滚珠体(6)装入圆孔后用盖板(11)将其封堵在小孔 内，两封堵盖板(11)分别通过螺钉(12)连接在L形弯板(9 )与矩形侧板(10 )上，盖板(11) 上也钻了一排小孔，并且盖板各孔的位置与L型板(9)、矩形侧板(10)上孔的位置对应，孔 径比滚珠体(6)直径略小；所述支座组件(3)包括支座体(14)和四个限位块(5)，在支座体 (14)的两侧开设了两个导向槽，动子组件(2)通过滚珠体(6)连接支座体(14)，限位块(5) 通过螺钉连接在支座体上，支座体(14)上钻有四个安装孔。
2.根据权利要求1所述的三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机，其特征在于置 于定子组件(1)横杆I1上压电叠层I4和纵杆12、13上的压电叠层15、16，在受到在时间上相 位差为90°同频余弦和正弦电信号作用时，将分别激发出横杆I1和纵杆12、13的在空间上正 交的三相一阶纵振模态，致使纵杆12、13的驱动端质点形成椭圆运动而交替地对动子组件 进行驱动。
3.根据权利要求1所述的三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机，其特征在于所 述定子基体材料为轧制磷青铜。
全文摘要
一种三相纵振模态驱动的大推力压电直线电机，它包括定子组件、动子组件和支座组件，其特征在于定子组件通过螺钉连接支座组件，动子组件通过滚动导轨副连接支座组件，定子组件通过摩擦副连接动子组件。本发明的技术效果是(1)利用压电叠层的d33效应激励横杆和纵杆的纵向振动来推动，可使电机输出较大动力；(2)定子组件中两纵杆在同一个振动周期对动子组件进行交替驱动，可使电机输出较大的速度并增大电机推力；(3)定子振动频率高、驱动步距小、位置分辨率高，可使电机实现亚微米级甚至更高的定位精度；(4)定子组件呈平面H型结构，有利于实现电机的薄型化和轻量化；(5)动子组件设计成具有适度柔性的结构，可保证定子组件与动子组件较理想的摩擦接触状态，有利于改善电机稳定性并减小其发热；(6)动子组件与支座组件间采用滚珠导轨，可大大减小电机运行阻力并有利于提高电机的效率和响应速度。
文档编号H02N2/04GK102148586SQ20111006064
公开日2011年8月10日 申请日期2011年3月14日 优先权日2011年3月14日
发明者贺晓蓉, 贺红林, 陈文军, 龙玉繁 申请人:南昌航空大学