圆形贴片式双足直线超声电机及其定子

1.本发明涉及超声电机技术领域，尤其涉及一种圆形双纵振共线贴片式激励双足直线超声电机及其定子。


背景技术：

2.直线超声电机是利用压电材料的逆压电效应来激发弹性体的微幅振动，通过定子与动子之间的摩擦作用将动能传递给动子从而输出运动。直线超声电机具有控制性能好，可步进、伺服工作，结构简单、低速大扭矩及响应快等优点，应用前景广泛。
3.现有直线超声电机中，定子结构根据压电陶瓷与弹性体的装配方式有贴片结构和夹心式结构，其中贴片结构定子具有加工装配简单，易于实现微型化的特点。现有贴片式结构定子，如公开号为cn103746598a，创造名称为贴片式纵振复合双足压电超声电机振子，它利用一个水平梁和两个竖直梁的纵向振动复合实现双足直线致动，它虽然解决了现有夹心式纵振复合双足直线超声电机振子的加工装配复杂的问题，但是其上下非对称的结构特点使压电陶瓷片在激励模态下易出现畸变，无法保证电机持续稳定工作。


技术实现要素：

4.本发明提供了圆形贴片式双足直线超声电机及其定子，其克服了背景技术中直线超声电机所存在的不足。
5.本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：圆形贴片式双足直线超声电机，包括定子和连接定子的夹持装置；该定子包括一根对称杆和两对压电陶瓷片；该对称杆包括中间座和两端部杆，该中间座具有圆柱座，该圆柱座具有第一基准面和第二基准面，该第一基准面和第二基准面都过圆柱座轴线且相垂直，该圆柱座轴线处设有沿轴线贯穿布置的中心圆柱孔，该圆柱座外周壁之位于第一基准面上的上下侧线处都设有驱动足；该圆柱座两侧各固设有一根部，且两根部分别位于第一基准面两侧，该根部末端固设有上述的端部杆，该两根部都设有平行中心圆柱孔且贯穿布置的端部圆柱孔；该两对压电陶瓷片分别连接两端部杆，每一对的两片压电陶瓷片分别帖设在端部杆之分别位于第二基准面之两侧的两侧壁，每对压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片极化方向相反；上述定子相对第一基准面、第二基准面都轴向对称布置。
6.一实施例之中：该定子的对称杆和驱动足采用一整块金属材料加工制成。
7.一实施例之中：该第一基准面沿上下向布置，该第二基准面沿左右向布置，该中心圆柱孔、端部圆柱孔都前后贯穿设置；该两根部相对第一基准面轴向对称设置，该两端部杆相对第一基准面轴向对称设置，该根部、端部杆都相对第二基准面轴向对称设置。
8.一实施例之中：该端部圆柱孔轴线位于第二基准面上。
9.一实施例之中：该驱动足的横截面为大小不变的圆形或者矩形。
10.一实施例之中：该中心圆柱孔直径与端部圆柱孔直径的比为1:(1.5-2.5)。
11.一实施例之中：该压电陶瓷片帖设处为该对称杆之应变最大处。
12.一实施例之中：该两端部杆分别为第一端部杆和第二端部杆；
13.第一端部杆上的一对片压电陶瓷片施加正弦电压，且压电陶瓷片之远离对称杆一侧极化方向为“+”，贴近对称杆一侧极化方向为
“-”
；
14.第二端部杆上的一对压电陶瓷片施加同频相位差为π/2的余弦电压，且每片压电陶瓷片的极化方向与第一端部杆每片压电陶瓷片的极化方向相同；
15.该定子所被激发出的两个纵振模态叠加，使定子与动子接触面质点做椭圆运动，从而推动动子运动。
16.本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：圆形贴片式双足直线超声电机定子，包括一根对称杆和两对压电陶瓷片；该对称杆包括中间座和两端部杆，该中间座具有圆柱座，该圆柱座具有第一基准面和第二基准面，该第一基准面和第二基准面都过圆柱座轴线且相垂直，该圆柱座轴线处设有沿轴线贯穿布置的中心圆柱孔，该圆柱座外周壁之位于第一基准面上的上下侧线处都设有驱动足；该圆柱座两侧各固设有一根部，且两根部分别位于第一基准面两侧，该根部末端固设有上述的端部杆，该两根部都设有平行中心圆柱孔且贯穿布置的端部圆柱孔；该两对压电陶瓷片分别连接两端部杆，每一对的两片压电陶瓷片分别帖设在端部杆之分别位于第二基准面之两侧的两侧壁，每对压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片极化方向相反；上述定子相对第一基准面、第二基准面都轴向对称布置。
17.本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
18.通过利用两个纵振超声振子连接后同时激励双驱动足的设计，充分利用振动能量，对称杆严格的对称结构避免了因为非对称装夹引起的工作模态畸变。中间座具有圆柱座，圆柱座轴线处设有沿轴线贯穿布置的中心圆柱孔，配合对称结构，能产生如下技术效果：1、可提高驱动足部位的振幅和振速，其两端的端部圆柱孔结构进一步缩小模态频率差，从而使超声马达输出效率高、工作模态稳定、驱动力大，结构简单、控制性能好、成本低；2、采用贴片式方式，直线超声电机的装配结构简单，纵向尺寸小，可设计得短、小、轻、薄，适合直线超声电机微型化发展，尤其适用于小型电机；激励频率较低，能更好达到工作条件；3、基座设为圆柱座，且，圆柱座外周壁的上下侧线处都设驱动足，圆形对称结构更好，工作更加稳定，驱动足处平缓过渡，对所驱动的动子损伤更小；圆形的工作效果更加平缓，对动子损伤略小。
附图说明
19.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
20.图1是本具体实施方式的定子的结构示意图。
21.图2是本具体实施方式的定子在频率30.608khz的模态分析图。
22.图3是本具体实施方式的定子在频率30.83khz的模态分析图。
具体实施方式
23.请查阅图1，圆形双纵振共线贴片式激励双足直线超声电机，包括定子和连接定子的夹持装置，该夹持装置可参照现有技术。
24.该定子包括一根由金属材料制成的对称杆和两对压电陶瓷片31和32，该对称杆包
括中间座1和两端部杆2。
25.该中间座1具有圆柱座，该圆柱座具有第一基准面和第二基准面，该第一基准面和第二基准面都过圆柱座轴线且相垂直，其中该第一基准面沿上下向布置，该第二基准面沿左右向布置，该圆柱座左右两侧各固设有一根部，该根部末端固设有上述的端部杆2。该圆柱座中心设有沿前后贯穿布置的中心圆柱孔11，该两根部都设有沿前后贯穿布置的端部圆柱孔12，该端部圆柱孔12轴线位于第二基准面上。该两根部、两端部杆都相对第一基准面轴向对称布置，该根部、端部杆都相对第二基准面轴向对称布置。该中心圆柱孔11的直径为中心圆柱孔11的二分之一，此结构可进一步缩小模态频率差。该圆柱座外周壁具有位于第一基准面的上下侧线，该上下侧线处都设驱动足13，该驱动足13呈狭长矩阵结构，且，该驱动足13截面呈矩形或圆形，以使驱动足11与夹持装置的导轨平面充分接触，提高直线超声电机的工作稳定性。该定子相对第一基准面、第二基准面都轴向对称布置。
26.该每对压电陶瓷片31和32都包括两片压电陶瓷片，该两对压电陶瓷片31和32分别连接两端部杆2，每一对的两片压电陶瓷片分别帖设在端部杆2上下面，其中每对压电陶瓷片31、32均沿厚度方向极化，如图1中箭头所示，且每对压电陶瓷片31、32的两片压电陶瓷片极化方向相反，如上面陶瓷片上正下负，则下面陶瓷片上负下正。该对压电陶瓷片帖设处为该对称杆之应变最大处。其中，可通过胶水直接将压电陶瓷片粘贴在端部杆2表面。
27.本具体实施方式之中，该定子的对称杆和驱动足采用一整块金属材料加工制成，以减少能量损失，且结构简单，易加工。
28.本具体实施方式之中，用ansys(ansys是美国ansys公司研制的大型通用有限元分析软件)进行的模态分析如图2和图3所示，从图2和图3中可以观察到电机定子的上下及左右运动，及，改变定子两个工作模态的相位差为-π/2，即可使定子左右运动。根据模态分析的频率30.608khz，定子驱动足上下移动距离最大，如图2所示；频率为30.83khz，定子驱动足左右移动距离最大，如图3所示。依据图2和图3的两种工作模态的频率，因驱动足在上下、左右运动的最大位置时的工作频率接近，因此可以叠加这两种纵振状态，从而使驱动足产生椭圆运动。
29.本具体实施方式之中一种圆形双纵振共线贴片式圆形贴片式双足直线超声电机的激励方式如图1所示，左侧两压电陶瓷片2施加正弦电压，激励左端部杆2的纵振模态，且陶瓷片远离对称杆一侧的极化方向为“+”，贴近对称杆的一侧极化方向为
“-”
；右侧两压电陶瓷片2施加同频相位差为π/2的余弦电压，激发右端部杆2的纵振模态，且每对压电陶瓷片的极化方向与左侧每对压电陶瓷片的极化方向相同。定子所被激发出的两个纵振模态叠加，使得定子与动子接触面质点做椭圆运动，从而推动动子运动。通过调整两相激励信号的相位差为-90
°
，可以实现反向驱动。对称杆采用圆柱座且设中空的中心圆柱孔的结构可提高驱动足部位的振幅和振速，其两端的端部圆柱孔结构进一步缩小模态频率差，使电机的性能有了大幅度的提高。
30.本具体实施方式的圆形双纵振共线贴片式激励双足直线超声电机能产生如下技术效果：一、采用贴片式方式及圆形中空结构相配合，1、采用贴片式方式，一方面，直线超声电机的装配结构简单，纵向尺寸小，可设计得短、小、轻、薄，适合直线超声电机微型化发展，尤其适用于小型电机；另一方面，激励频率较低，能更好达到工作条件；2、基座设为圆柱座，且，圆柱座外周壁的上下侧线处都设驱动足，一方面，圆形对称结构更好，工作更加稳定，驱
动足处平缓过渡，对所驱动的动子损伤更小；另一方面，圆形的工作效果更加平缓，对动子损伤略小；二、压电陶瓷片具有用于激励弹性体的纵振模态和弯振模态，直线超声电机利用结构纵振模态，故具有较高的推力和效率。三、通过利用两个纵振超声振子连接后同时激励双驱动足的设计，充分利用振动能量，对称杆严格的对称结构避免了因为非对称装夹引起的工作模态畸变。
31.以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。