专利名称：一种椭圆抛物面形直线超声电机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种椭圆抛物面形直线超声电机，属于超声电机技术领域。
背景技术：
直线超声电机是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弹性体的超声振动，并通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体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。目前国内直线超声电机的发展很快。在中国专利网上，有多项关于直线超声电机的专利。·这其中，杆结构直线超声电机备受关注，这是因为该电机的定子是由兰杰文振子构成的。兰杰文振子利用纵振，有明确的节点。它具有很高的能量传输效率，并有利于夹持。专利200810124426.2提出基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机，该电机的定子有2个对称的兰杰文振子构成。专利201010556088.7提出基于直线超声电机的柔性夹持技术，它是通过柔性圆弧片段将所有压电振子连接起来，并通过柔性圆弧片段将振子与带有圆形通孔的固定端相连接，从而简化了的夹持结构。上述电机的定子仅仅是有两个兰杰文振子构成，其定子的空间利用率低。
发明内容本发明针对上述问题的不足，提出一种能量密度高、且利用多个兰杰文振子构建其定子的椭圆抛物面形直线超声电机。本实用新型为解决上述技术问题提出的技术方案是:一种椭圆抛物面形直线超声电机，包括定子(I)和一柱状结构的动子(2)，所述定子(I)由n(n>=3)个复合振子并联而成，所述复合振子通过柔性支持元件(3)相连接，同时所述η个复合振子在空间围绕动子
(2)沿周向对称放置；所述每个复合振子由两个兰杰文振子成一定角度互相交叉构成，且单个复合振子的剖线绕轴形成椭圆抛物面，同时该两个兰杰文振子头部联为一体形成复合振子的驱动足(13)，而每个兰杰文振子由弹性体(11)以及压电陶瓷片(12)组成，所述压电陶瓷片的正极朝外，负极指向弹性体(11)的基体表面。优选的:所述柔性支持元件为两个相同的圆环形结构，所述圆环形结构包括用于固定定子的圆弧支架(31)、施加预压力的柔性铰链(32)和用于固定整个电机的固定件
(33)，所述圆弧支架(31)、柔性铰链(32)、固定件(33)按柔性铰链(32)、圆弧支架(31)、柔性铰链(32)、固定件(33)的顺序依次圆环形连接；而所述定子(I)安装在两个圆环形结构的圆弧支架(31)之间。优选的:所述各复合振子的同一侧的兰杰文振子为一组，两组兰杰文振子利用相位差为JT/2的两同频正弦信号同时激励，驱动动子在其轴向方向进行直线运动。优选的:所述η个驱动足在以动子运动方向为法向的平面内形成一个圆，且所述动子的直径大于该圆的直径。优选的:所述每个复合振子的两个兰杰文振子的交叉角度在0° -180°之间。本实用新型的一种椭圆抛物面形直线超声电机，相比现有技术，具有以下有益效果:由于所述定子(I)由n(n>=3)个复合振子并联而成，所述复合振子通过柔性支持元件
(3)相连接，同时所述η个复合振子在空间围绕动子(2)沿周向对称放置；所述每个复合振子由两个兰杰文振子成一定角度互相交叉构成，且单个复合振子的剖线绕轴形成椭圆抛物面，同时该两个兰杰文振子头部联为一体形成复合振子的驱动足(13)，而每个兰杰文振子由弹性体(11)以及压电陶瓷片(12)组成，同时由于直线超声电机主要有板结构和杆结构两种形式，板结构直线超声电机为扁平形式，结构简单，在特定场合能发挥作用，杆结构直线超声电机利用兰杰文振子可以产生大的输出力和高的输出效率，重要是，兰杰文振子有明确的纵振节点，有利于电机的夹持和预压力加载。本项专利结合这两种直线超声电机的特点，提出利用多个兰杰文振子设计直线超声电机。一方面该电机的主体结构为杆结构的兰杰文振子，另一方面其外观结构为椭圆抛物面形结构。所以该电机结构简单、有明确的加持点和高的效率。本实用新型的工作模态是，复合振子的两个兰杰文振子做同相的纵向振动时，激发复合振子的对称模态；两个兰杰文振子做互为反相的纵向振动时，激发复合振子的反对称模态。采用两个相位差为 Γ/2的正弦信号同时激励复合振子的两个兰杰文振子，激发复合振子两个同频相位差7Γ/2的振动模态，使复合振子上驱动足质点做椭圆运动。在电机工作时，η个复合振子采用相同的驱动方式(同频、同相)，驱动动子向同一方向运动。动子为圆柱形结构，在驱动足处与复合振子相接触。η个驱动足在以动子运动方向为法向的平面内形成一个圆，圆柱形动子的直径大于该圆的直径。由于圆柱形动子的直径大于该圆的直径，所以在定子和动子之间产生预压力。由于没有专门的预压力加载结构，电机的结构更加简单。上述电机在围绕动子的对称空间分布定子，有利于提高电机的空间利用率。同时由于激发多个复合振子同时工作，使整个电机有更大的输出力。本实用新型提出利用η个复合振子构成电机的定子，并在空间呈椭圆抛物面形结构。该电机能够提高定子的空间利用率，增加定子的能量密度和输出力。由于采用带有柔性铰链的夹持元件，使得定子和动子之间自然地产生预压力，这样的结构省去传统的直线超声电机所具有的预压力加载部件，电机的结构变得更加简单。
图1是椭圆抛物面形直线超声电机的结构示意图；图2是椭圆抛物面形直线超声电机的柔性支持元件的结构示意图；图3是复合振子的结构示意图；图4是单个定子压电陶瓷片的极化以及信号加载示意图，图4 (b)是图4 Ca)的k_k首丨J视图；图5是椭圆 抛物面形直线超声电机系统工作模态的不意图。其中，图5 Ca)是定子对称工作模态的示意图，图5 (b)定子反对称工作模态的示意图；其中:1.定子，2.动子，3.柔性支持元件，11.弹性体，12.压电陶瓷片，13.驱动足，31.圆弧支架，32.柔性铰链，33.固定件。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本实用新型一个优选实施例的结构示意图，以下将结合附图详细地说明本实用新型的技术方案。
实施例本实施例的一种椭圆抛物面形直线超声电机如图1-3所不,包括定子I和一柱状结构的动子2，所述其动子2为一个管状陶瓷条，所述定子I由n(n>=3)个复合振子并联而成，所述复合振子通过柔性支持元件3相连接，同时所述η个复合振子在空间围绕动子2沿周向对称放置；所述每个复合振子由两个兰杰文振子成一定角度互相交叉构成，且单个复合振子的剖线绕轴形成椭圆抛物面，同时该两个兰杰文振子头部联为一体形成复合振子的驱动足13，而每个兰杰文振子由弹性体11以及压电陶瓷片12组成，所述弹性体11又称为定子基体，所述压电陶瓷片的正极朝外，负极指向弹性体11的基体表面，η个复合振子对动子的力自然平衡，整个定子通过线切割方式一体化加工，保证对各直线超声电机实现夹持且又不干扰其振动模态频率，还可使定子对动子有一定的预压力。所述柔性支持元件为两个相同的圆环形结构，所述圆环形结构包括用于固定定子的圆弧支架31、施加预压力的柔性铰链32和用于固定整个电机的固定件33，所述圆弧支架31、柔性铰链32、固定件33按柔性铰链32、圆弧支架31、柔性铰链32、固定件33的顺序依次圆环形连接；而所述定子I安装在两个圆环形结构的圆弧支架31之间。所述各复合振子的同一侧的兰杰文振子为一组，两组兰杰文振子利用相位差为π 2的两同频正弦信号同时激励，驱动动子在其轴向方向进行直线运动。所述η个驱动足在以动子运动方向为法向的平面内形成一个圆，且所述动子的直径大于该圆的直径。所述每个复合振 子的两个兰杰文振子的交叉角度在0° -180°之间。此电机并没有专门的施加预压力的装置，结构较为简单。固定件为带有通孔的矩形夹持件，之后将通过螺钉将电机装配在外部装置上。整体结构均由线切割一体化加工而成。将定子的压电振子分为两组，即每个复合振子上部的压电振子为A项，下部的压电振子为B项。利用相位差为π/2的两同频正弦信号同时激励两组压电振子，从而分别激发复合振子的两个振动模态，这两个振动模态的叠加使得驱动足表面的质点产生椭圆运动，驱动动子在其轴向方向进行直线运动。如图4为压电陶瓷片的极化及加载示意图。每个复合振子由两个兰杰文振子以一定角度交叉组成，利用相位差JT/2的同频正弦信号同时激励两个压电振子来分别激发定子的两个振动模态，这两个振动模态的叠加使得驱动足端面上各质点产生椭圆运动来推动动子连续直线运动。当激励信号相反时，即可实现动子的反方向直线运动。η个复合振子采用相同的驱动方式(同频、同相)，驱动动子向同一方向运动，提高了输出力和输出功率，并提高了空间利用率。每个复合振子的两个工作模态如图5所示。图5 (a)说明，复合振子的两个压电振子做同向的纵向伸缩振动，在驱动足处合成为上下运动。图5 (b)说明，复合振子的两个压电振子做反向的纵向伸缩振动，在驱动足处合成为左右运动。[0028]上面结合附图所描述的本实用新型优选具体实施例仅用于说明本实用新型的实施方式，而不是作为对前述实用新型目的和所附权利要求内容和范围的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本实用新型技术和权利保护范畴。
权利要求1.一种椭圆抛物面形直线超声电机，包括定子(I)和一柱状结构的动子(2)，其特征在于:所述定子(I)由η个复合振子并联而成，其中n>=3，所述复合振子通过柔性支持元件(3)相连接，同时所述η个复合振子在空间围绕动子(2)沿周向对称放置；所述每个复合振子由两个兰杰文振子成一定角度互相交叉构成，且单个复合振子的剖线绕轴形成椭圆抛物面，同时该两个兰杰文振子头部联为一体形成复合振子的驱动足(13)，而每个兰杰文振子由弹性体(11)以及压电陶瓷片(12)组成，所述压电陶瓷片的正极朝外，负极指向弹性体(11)的基体表面。
2.根据权利要求1所述椭圆抛物面形直线超声电机，其特征在于:所述柔性支持元件为两个相同的圆环形结构，所述圆环形结构包括用于固定定子的圆弧支架(31)、用于固定定子及施加预压力的柔性铰链(32)和用于固定整个电机的固定件(33)，所述圆弧支架(31)、柔性铰链(32)、固定件(33)按柔性铰链(32)、圆弧支架(31)、柔性铰链(32)、固定件(33)的顺序依次圆环形连接；而所述定子(I)安装在两个圆环形结构的圆弧支架(31)之间。
3.根据权利要求1所述椭圆抛物面形直线超声电机，其特征在于:所述各复合振子的同一侧的兰杰文振子为一组，两组兰杰文振子利用相位差为n!2的两同频正弦信号同时激励，驱动动子在其轴向方向进行直线运动。
4.根据权利要求1所述椭圆抛物面形直线超声电机，其特征在于:所述η个驱动足在以动子运动方向为法向的平面内形成一个圆，且所述动子的直径大于该圆的直径。
5.根据权利要求1所述椭圆抛物面形直线超声电机，其特征在于:所述每个复合振子的两个兰杰文振子的 交叉角度在0° -180°之间。
专利摘要本实用新型涉及一种椭圆抛物面形直线超声电机，属于超声电机技术领域。包括定子(1)和一柱状结构的动子(2)，所述定子(1)由n(n>=3)个复合振子并联而成；所述每个复合振子由两个兰杰文振子成一定角度互相交叉构成，同时该两个兰杰文振子头部联为一体形成复合振子的驱动足(13)，而每个兰杰文振子由弹性体(11)以及压电陶瓷片(12)组成。本实用新型不仅能量密度高，而且利用多个兰杰文振子构建其定子，有利于提高电机的空间利用率，同时由于激发多个复合振子同时工作，使整个电机有更大的输出力。
文档编号H02N2/02GK202997968SQ20122057603
公开日2013年6月12日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者简月, 姚志远, 胡正旭 申请人:南京航空航天大学