专利名称：一种共振式直线超声电机及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种共振式直线超声电机及控制方法，属超声电机技术领域。
背景技术：
超声电机是上个世纪80年代迅速发展起来的一种新概念的特种电机，其一般驱动机理是利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，迫使接触面的质点产生椭圆轨迹运动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子的旋转或直线运动。 与电磁电机相比，具有结构形式多变、低速大转矩、低噪声运行、响应快、断电自锁、位置和速度控制性好、不产生磁场亦不受电磁干扰等优点。由于具有以上诸多优点，超声电机在工业自动化、航空航天、医疗、生物工程等领域得到了大量的应用，并发挥了巨大的作用。直线超声电机是其中比较常见的一种，直线超声电机根据工作的方式可分为共振式直线电机和非共振式直线电机。非共振式直线超声电机有别于传统的超声电机，一般采用压电叠堆作为作动单元，通过控制压电叠堆的静变形，来间接控制接触面质点的运动轨迹。其工作方式与振动模态不相关，因此可以在较低的频率上工作，由于接触面质点的运动轨迹来源于弹性体的静变形，因此推重比较大且位移精度高。但缺点是最大输出速度较低，加工精度要求很高；共振式直线超声电机采用了传统超声电机的一般工作原理，工作在固有振动模态下，工作频率一般较高，推重比相对非振式的电机较低，但是最大输出速度较高、制造成本较低。
发明内容
本发明提出了一种共振式直线超声电机及控制方法，该电机具有结构简单、紧凑， 易于加工和微、小型化、推力大等特点。本专利所采用的技术原理及方案是本发明提出的共振式直线超声电机由定子、动子、基座及附属配件构成，包括定子基体，压电陶瓷，基座，滑块，轨道，氧化铝陶瓷条，板簧，板簧紧固螺钉，横向紧定螺钉， 纵向紧定螺钉，轨道紧固螺钉，横向弹簧和纵向弹簧。其中滑块和氧化铝陶瓷条粘接在一起，共同构成电机的动子，安装在轨道上，可以沿着轨道做直线运动，轨道通过紧固螺钉安装在基座上。定子基体和压电单元构成电机的定子，安放在基座里，定子基体上的一个弧形结构作为驱动足，在其顶点处与动子(氧化铝陶瓷条)接触，定、转子间的预压力通过横向紧定螺钉及横向弹簧来进行调节，纵向紧定螺钉及纵向弹簧用来消除定子与基座间的纵向间隙，同时用来调节纵向的预紧力。板簧安装在基座的上侧，用来限制定子的多余自由度。所述定子是整个电机的核心，由定子基体和压电陶瓷组成。定子基体是两个配重、 两个矩形梁(或称为杆)及两个弧形结构的组合体。两个矩形梁在空间上共线，外侧端分别与配重连接，内侧端通过对称布置的两个弧形结构连接，形成一个一体化的对称结构。压电陶瓷通过环氧树脂粘贴在矩形梁的侧面上。所述定子具有两个特定的振动模态。定子的一个振动模态在左右两个矩形梁部分呈现对称的1阶纵振模式，同时挤压或拉伸弧形结构，迫使弧形结构的顶点部位产生垂直方向的往复运动；定子的另一个振动模态在两个矩形梁部分呈现反对称的1阶纵振模式， 使得弧形结构顶点部位产生水平方向的往复运动。上述两个振动模态中，配重处的振幅都远小于矩形梁及弧形结构的振幅。上述两个振动模态叠加后，弧形结构顶点部分的垂直及水平两个方向上的往复运动可以合成一个椭圆运动。 本发明提出的共振式直线超声电机在两路相位差为90°的同频正弦电压信号激励下工作，其特征在于其中一路正弦电压信号施加在一个矩形梁两侧的压电陶瓷上，激励定子的一个工作模态；另一路相位差为90°的同频正弦信号施加在另一个矩形梁两侧的压电陶瓷上，激励定子的另一个工作模态。在上述两路电压信号激励下，定子的两个振动模态将同时得到激发，弧形结构顶点部位将合成一个椭圆运动。当其于动子接触时，可间歇式地推动动子输出直线运动。当交换激励信号后，椭圆运动的方向将反向，输出直线运动的方向也随之改变。本发明提出的共振式直线超声电机，采用了两个梁的1阶对称及反对称振动模式作为定子的基本工作模态，通过弧形结构的转换，最终在弧形结构的顶点部位叠加出椭圆运动。两块配重的主要作用(1)使两个梁产生对称及反对称的振型；(2)扩大矩形梁与结构连接处的振幅，从而扩大弧形结构顶点部位的位移，提高电机的最大输出速度及输出力。 电机结构简单紧凑，易于微、小型化，具有一定推广价值。
图1是本发明提出的共振式直线超声电机的外部结构示意图。图中标号及符号名称1-定子基体，2-压电单元，3-基座，4-滑块，5-轨道，6-氧化铝陶瓷条，7-板簧，8-板簧紧固螺钉，9-横向紧定螺钉，10-纵向紧定螺钉，11-轨道紧固螺钉。图2是本发明提出的共振式直线超声电机的内部结构示意图。图中标号及符号名称12-横向弹簧，13-纵横向弹簧。图3是本发明提出的共振式直线超声电机的定子结构。图中标号及符号名称 14 15-配重，16 17-矩形梁，18 19-弧形结构，20 23-压电陶瓷。图4是本发明提出的共振式直线超声电机的定子的两个振动模态。图5是本发明提出的共振式直线超声电机的定子的稳态响应。图中标号及符号名称1_椭圆运动轨迹。工作原理及实施方式下面结合附图具体说明本共振式直线超声电机的具体实施方式
。本发明提出的共振式直线超声电机由基座、定子和动子及附属配件构成，结构如图1和图2所示，主要包括1-定子基体，2-压电陶瓷，3-基座，4-滑块，5-轨道，6-氧化铝陶瓷条，7-板簧，8-板簧紧固螺钉，9-横向紧定螺钉，10-紧定螺钉，11-轨道紧固螺钉， 12-横向弹簧和13-纵向弹簧。其中4-滑块和6-氧化铝陶瓷条粘接在一起，共同构成电机的动子，安装在5-轨道上，可以沿着5-轨道做直线运动。5-轨道通过11-轨道紧固螺钉安装在3-基座上。1-定子基体和2-压电陶瓷构成电机的定子，安放在3-基座里，1-定子基体上的一个弧形结构作为驱动足，在其顶点处与动子(6-氧化铝陶瓷条)接触，定、转子间的预压力通过两个9-横向紧定螺钉和12-横向弹簧来进行调节，10-纵向紧定螺钉及13-纵向弹簧用来消除定子与基座间的纵向间隙，同时用来调节纵向的预紧力。7-板簧安装在基座的上侧，用来限制定子的多余自由度。3-基座边缘开有2个安装孔，用于电机的安
装。上述共振式直线超声电机的定子是整个电机的核心，由定子基体和压电陶瓷组成，整体结构形式如图3所示。其特征在于定子基体是两个配重14 15、两个矩形梁16 17 (或称为杆)及两个弧形结构18 19的组合体。两个矩形梁在空间上共线，外侧端分别与配重连接，内侧端通过对称布置的两个弧形结构连接，形成一个一体化的对称结构。四块压电陶瓷20 23通过环氧树脂分别粘贴在两个矩形梁的四个侧面上。上述超声电机的定子具有两个特定的振动模态。其特征在于定子的一个振动模态在左右两个矩形梁部分呈现对称的1阶纵振模式(如图4(1)所示)，同时挤压或拉伸弧形结构，迫使弧形结构的顶点部分产生垂直方向(在图中坐标系下，沿Z轴方向)的往复运动；定子的另一个振动模态在两个矩形梁部分呈现反对称的1阶纵振模式(如图4(2)所示)，一个梁收缩时，另一个梁则伸长，使得弧形结构的顶点部分产生水平方向的往复运动 (在图中坐标系下，沿Y轴方向)。上述两个振动模态中，配重处的振幅都远小于梁及弧形结构的振幅。上述两个振动模态叠加后，弧形结构顶点部分的垂直及水平两个方向上的往复运动可以合成一个椭圆运动。根据超声电机的设计原则，定子的上述两个振动模态的频率应尽可能的一致，同时应尽量远离附近的干扰模态，这些要求可以通过调节结构的尺寸来实现。此外，在设计中还需要合理选择两端的配重。配重的质量越大，配重及配重与矩形梁连接端的振幅就越小， 矩形梁与弧形结构连接端的振幅就越大，从而扩大结构顶点部位的振幅，有助于提高电机的最大输出速度及输出力；同时，配重振幅越小，13-纵向弹簧产生的预紧力对定子振动模态的影响就越小。但是配重质量越大，定子的体积就越大，因此在实际设计过程中，需对配重的大小及配重的振幅进行权衡。上述共振式直线超声电机在两路相位差为90°的同频正弦电压信号激励下工作， 其特征在于其中一路正弦电压信号施加在一个矩形梁两侧的压电陶瓷上，激励定子的一个工作模态；另一路相位差为90°的同频正弦信号施加在另一个矩形梁两侧的压电陶瓷上，激励定子的另一个工作模态。在图3中，驱动信号具体供给方式如下定子基体接地极， 7 8-压电陶瓷的外侧电极接电压信号=Usincot ；9 10-压电陶瓷的外侧电极接电压信号UCOScot，其中U为电压值，ω为模态频率，t为时间。在上述两路电压信号的激励下，上述共振式直线超声电机的定子在一个激励周期内的稳态响应如图5所示(经ANSYS谐响应分析得到)。在一个激励周期内，定子依次经历了(1)至(4)四个变化步骤，弧形结构顶点部位(见图中的A点)的运动轨迹为 a — b — c — d — a，构成了一个YZ平面内的椭圆。当定子装入3-电机机座内，并在9_横向紧定螺钉及12-横向弹簧的作用下，定子弧形结构的顶点部位与6-氧化铝陶瓷条接触并保持一定的预压力时，结构顶点部位的椭圆运动可以间歇式地推动6-氧化铝陶瓷条(动子)，输出直线运动。当交换激励信号后，结构顶点部位的运动方向将反向，输出直线运动的方向也随之改变。
权利要求
1.一种共振式直线超声电机，由定子、动子、基座及附属配件构成，附属配件包括定子基体，压电陶瓷，基座，滑块，轨道，氧化铝陶瓷条，板簧，板簧紧固螺钉，横向紧定螺钉，纵向紧定螺钉，轨道紧固螺钉，横向弹簧和纵向弹簧，其特征在于所述电机的定子由定子基体和压电陶瓷组成，定子基体是两个配重、两个矩形梁及两个弧形结构的组合体，两个矩形梁在空间上共线，矩形梁外侧端分别与配重连接，矩形梁内侧端通过对称布置的两个弧形结构连接，压电陶瓷粘贴在两个矩形梁的侧面上。
2.一种基于权利要求1所述的一种共振式直线超声电机的控制方法，其特征在于所述超声电机在两路相位差为90°的同频正弦电压信号激励下工作，其中一路电压信号施加在一个矩形梁两侧的压电陶瓷上；另一路相位差为90°的电压信号施加在另一个矩形梁两侧的压电陶瓷上；所述电机的定子具有两个特定的振动模态一个振动模态，左右两个矩形梁部分呈现对称的1阶纵振模式，迫使弧形结构的顶部产生垂直方向的往复运动；另一个振动模态，两个矩形梁部分呈现反对称的1阶纵振模式，使得弧形结构的顶部产生水平方向的往复运动，两个振动模态叠加后，弧形结构顶点部位的垂直及水平两个方向上的往复运动合成一个椭圆运动。
全文摘要
本发明公布了一种共振式直线超声电机及控制方法，属超声电机技术领域。该电机的定子基体可以看成是两个配重、两个矩形梁(或称为杆)及两个弧形结构的组合体。两个矩形梁在空间上共线，外侧端分别与配重连接，内侧端通过对称布置的两个弧形结构连接，压电陶瓷粘贴在两个矩形梁的侧面上。弧形结构作为定子的驱动足，在顶点部位与动子接触。该定子利用两个振动模态，叠加后使弧形结构的顶点部位产生椭圆轨迹的运动，从而通过摩擦作用推动动子运动。本发明具有结构简单、紧凑、推力大等特点。
文档编号H02N2/02GK102355159SQ20111030769
公开日2012年2月15日 申请日期2011年10月10日 优先权日2011年10月10日
发明者泮振锋, 金家楣, 钱富 申请人:南京航空航天大学