CN101697460B - 双向单模态斜轨塔形直线超声电机及电激励方式 - Google Patents
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Abstract
一种双向单模态斜轨塔形直线超声电机及其电激励方式，属超声电机类。该电机包括：定子、压电陶瓷及导轨。所述导轨由预压力压在定子驱动足上，导轨倾斜θ度角。所述定子是由带有一个驱动足、一个柔性放大圆孔和两个矩形柱的塔形金属体构成，塔形金属体的外表面对称地粘贴有六片压电陶瓷，用于激发定子的两个正交工作模态：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。当用单相电压信号激发定子的任意一个工作模态时，定子驱动足表面质点的运动轨迹相对于导轨是一条斜直线，且斜直线的倾斜方向随工作模态的改变而改变，从而推动导轨正反向运动。该超声电机结构紧凑、驱动效率高、推重比大、工作可靠。
Description
技术领域：
本发明的双向单模态斜轨塔形直线超声电机及电激励方式，属超声电机领域。
背景技术：
超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动的新型动力输出装置。其中，直线运动超声电机属于超声电机的一种。与传统电磁电机相比，超声电机具有低速大力矩，瞬态相应快，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，航空航天等领域有着广泛的应用前景。
经对现有近似塔形的超声电机的文献检索发现，赵淳生等发表的申请号为200710134000的中国发明专利申请公布说明书《二自由度超声电机》，该专利申请公布说明书提出了一种二自由度超声电机，该电机定子为具有正交对称结构的近似塔形的拱形振子和八块单向极化的压电陶瓷片组成，近似塔形的拱形振子含有四个矩形柱腿，八块压电陶瓷片分别粘贴在拱形振子的四个矩形柱腿的外侧面上。该电机利用正交的含局部弯振的对称-反对称模态进行工作，当在拱形振子左右对称的矩形柱侧面上的四块压电陶瓷片上输入两相相位差为π/2的同频正弦驱动信号后，会在yoz平面内激发出对称-反对称模态，使拱形振子驱动头上的质点产生椭圆运动，驱动动子沿y向运动。同样，当在拱形振子前后对称的矩形柱侧面上的四块压电陶瓷片上输入两相相位差为π/2的同频正弦驱动信号后，会在xoz平面内激发出对称-反对称模态，使拱形振子驱动头上的质点产生椭圆运动，驱动动子沿x向运动。因此，该电机采用单个振子作为动子进行驱动，即可实现二个方向的正、反向运动，使其结构紧凑、易于小型化。
上述电机的不足之处在于：当该电机被用于驱动动子作单自由度的直线运动时，仅激发出yoz平面内的对称-反对称模态或yoz平面内的对称-反对称模态即可达到目的。因此，含有四个矩形柱近似塔形的拱形振子可以简化为含有两个 矩形柱的塔形振子，使电机的结构更简单。
经对现有斜轨形直线超声电机的文献检索发现，指田年生在《日本应用物理》(1982年第51卷第6期第713-720页)发表的《超音波驱动モ-タ-の试作□原理の理论および实验的检讨》，该文对一种振动片斜轨形直线超声电机的运动机理进行了详细分析，该电机的振动片顶端与导轨面接触，且相对于导轨面法线有一倾角θ，表现为导轨倾斜了θ度。通过单相电信号直接激励出电机定子的纵振，并间接通过振动片顶端与导轨面的周期接触力激励出振动片的弯振，从而在振动片/导轨接触面上振动片的质点上产生椭圆运动，推动导轨运动。其不足在于：该电机只能单向运动，不能反向。检索中又发现，Elliptec公司在公司网页http://www.elliptec.com对其公司产品X15G型Elliptec斜轨形电机的运动机理进行了详细描述，该电机的驱动足端部与导轨面接触，且相对于导轨面法线有一倾角θ，表现为导轨倾斜了θ度。通过单相直接激励出电机定子的一个工作模态，并间接通过定子的驱动足端部与导轨面的周期接触力激励出另一个正交工作模态，使其驱动足端部质点的运动轨迹为椭圆运动，推动导轨运动。由于X15G型Elliptec斜轨形电机可通过单相电信号直接激励出电机定子的两个不同频的工作模态，使其驱动足端部质点产生运动方向相反的椭圆运动轨迹，推动导轨实现正反向运动。其不足在于：该电机采用叠层压电陶瓷作为驱动元件，价格较贵；该电机只能提供最大0.5N的推动力，限制了其使用范围。
上述三个文献中提出的直线型超声电机都通过同时激发两个正交的振动模态，在定子/导轨接触面上定子的质点上产生椭圆运动，推动导轨运动。这存在以下的不足：
1.要同时激发两个正交的振动模态，要求两个正交的工作模态的具有相近的共振频率；
2.由于理论计算和实际加工的误差，加上电机工作时定转子的接触，温度和负载的变化，导致两个正交工作模态的共振频率有一定程度的差异；
3.在单一频率的交变信号激励下，由于两个正交工作模态的共振频率有一定程度的差异，导致两个正交工作模态不能同时被最大限度地激发出来，影响了电机的运行效率和性能，也使得电机可驱动的频域较窄。
解决此问题的办法之一是采用单一模态驱动的激励方法。采用单一模态驱动的激励方法具有以下优点：不存在复合模态超声电机的频率一致性问题；可驱动的频域较宽；电机的运行效率较高；工作时抗扰力强；可采用自振荡驱动电源，易于实现小型化和集成化。
经对现有单一模态驱动的超声电机的文献检索发现，钱孝华等在《微特电机》(2007年第8期第28-30页)发表的《双向驻波型直线超声波电动机》，该文提出了一种单一模态驱动的矩形板式直线型超声电机，该电机具有B3和B4两个工作模态(同时只能有一个模态参与工作)。当B3模态工作时，定子/导轨接触面上定子的质点上产生向右倾斜的斜直线运动，动子正向运动；当B4模态工作时，定子/导轨接触面上定子的质点上产生向左倾斜的斜直线运动，动子反向运动。其不足在于：定子的夹持位置没有放置在工作模态的节点、节线或节面附近，这会导致定子的夹持对工作模态的影响并使能量损失增大；同时为了兼顾正反向运动，其驱动足的位置不在振幅最大处，振动能利用率不高。
发明内容：
本发明针对现有技术的不足，提出一种双向单模态斜轨塔形直线超声电机。目的在于研制一种单模态驱动、定子驱动足表面质点相对于导轨的运动轨迹为斜直线、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、响应速度快的直线型超声电机。
本发明的双向单模态斜轨塔形直线超声电机，由定子和导轨构成。其特征在于：所述导轨在预压力的作用下压在定子驱动足上，且导轨与定子中心线的夹角为(90+θ)度，其中θ大于0；所述定子整体为塔形金属体，由驱动足以及与驱动足相连的左矩形柱和右矩形柱构成，上述驱动足与左矩形柱及右矩形柱相连接处还具有柔性放大圆孔；上述压电陶瓷一共有六片对应地粘贴在上述左矩形柱和的右矩形柱的前、后、外侧共六个外表面，用于激发定子x-z面内二阶弯曲振动模态和y-z面内对称振动模态；上述导轨倾斜角θ大小的原则是：模态振幅沿定子和导轨接触界面的法向分量要大于定子和导轨接触界面的粗糙度Ra，即设定子的y-z面内对称振动模态的振幅为U，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Uf＝Ucosθ；设定子的x-z面内二阶弯曲振动模态的振幅为V，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Vf＝Vsinθ；要使定子有效地驱动导轨，必须满足以下条件：Ucosθ＞Ra，Vsinθ＞Ra；所以，导轨倾斜角θ的选 择范围：arcsin(Ra/V)＜θ＜arccos(Ra/U)。
上述双向单模态斜轨塔形直线超声电机的电激励方式，其特征在于：设沿斜导轨向左上为正方向，沿斜导轨向右下为负方向；定子的两个正交工作模态分别为y-z面内对称振动模态和x-z面内二阶弯曲振动模态；其中y-z面内对称振动模态由分别贴在左矩形柱外侧面和右矩形柱外侧面的共两块压电陶瓷片激发，当定子以y-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；相对于导轨而言，定子驱动足表面质点的运动轨迹是一条往复运动的斜直线，倾斜角为(90-θ)度，推动压在驱动足上的导轨产生正向运动。其中x-z面内二阶弯曲振动模态由分别贴在左矩形柱和右矩形柱前、后表面的共四块压电陶瓷片激发，当定子以x-z面内二阶弯曲振动模态振动时，驱动足产生水平振动；相对于导轨而言，定子驱动足表面质点的运动轨迹是一条往复运动的斜直线，倾斜角为(180-θ)度，推动压在驱动足上的导轨产生反向运动。
和背景技术相比，本发明的双向单模态斜轨塔形直线超声电机的创新之处在于：
1.与赵淳生等在申请号为200710134000的中国发明专利申请公布说明书《二自由度超声电机》提出的二自由度超声电机相比，本发明具有以下创新：
(a)结构的创新：由二自由度超声电机的含有四个矩形柱近似塔形的拱形振子简化为塔形直线超声电机的含有两个矩形柱的塔形振子，使电机的结构更简单，更利于实现小型化；
(b)工作模态的创新：由二自由度超声电机共面的对称-反对称复合工作模态变为塔形直线超声电机的含局部弯振的y-z面内对称振动模态和x-z面内二阶弯曲振动模态的复合工作模态。改变工作模态的原因：经有限元计算，塔形振子的共面的对称工作模态和反对称工作模态的模态频率差别较大，并且反对称工作模态的振幅较小。而采用含局部弯振的y-z面内对称振动模态和x-z面内二阶弯曲振动模态的复合工作模态可以解决上述问题。
2.与指田年生在《超音波驱动モ-タ-の试作□原理の理论および实验的检讨》一文提出的振动片斜轨形直线超声电机相比，指田年生提出的振动片斜轨形直线超声电机只能推动动子正向运动，不能反向运动。双向单模态斜轨塔形直线超声 电机可以推动动子实现正反向运动。
3.与Elliptec公司的X15G型Elliptec斜轨形电机相比，X15G型Elliptec斜轨形电机驱动时，通过使定子驱动足/导轨接触面上驱动足的质点上产生椭圆运动，推动动子直线运动；该电机采用价格较贵叠层压电陶瓷作为驱动元件。双向单模态斜轨塔形直线超声电机驱动时，通过使定子驱动足/导轨接触面上驱动足的质点上产生相对于导轨的往复的斜直线运动，推动动子直线运动；该电机采用价格便宜的普通压电陶瓷作为驱动元件。
4.与钱孝华等在《双向驻波型直线超声波电动机》提出的单一模态驱动的矩形板式直线型超声电机相比，单一模态驱动的矩形板式直线型超声电机的定子的夹持位置没有放置在工作模态的节点、节线或节面附近，这会导致定子的夹持对工作模态的影响并使能量损失增大；同时为了兼顾正反向运动，其驱动足的位置不在振幅最大处，振动能利用率不高。双向单模态斜轨塔形直线超声电机夹持位置放置在工作模态节线附近，这对工作模态的影响小并使能量损失减小；同时其驱动足的位置在工作模态振幅最大处，振动能利用率高。
5.本发明的双向单模态斜轨塔形直线超声电机，其最大的创新点在于：定子设计有两个正交工作模态，通过使导轨倾斜θ度角，使得定子以两个正交模态中的任意一个模态工作时，定子驱动足表面质点的运动轨迹相对于导轨是一条斜直线，并且斜直线的倾斜方向随工作模态的改变而改变，从而推动导轨正反向运动。
附图说明：
图1.是双向单模态斜轨塔形直线超声电机定子结构示意图。其中图1-1为正视图，图1-2为俯视图。
图2.双向单模态斜轨塔形直线超声电机结构示意图。其中，图左为x-z方向示意图，图右为y-z方向示意图。
图3.双向单模态斜轨塔形直线超声电机压电陶瓷极化布置示意图。
图4.图5.双向单模态斜轨塔形直线超声电机工作原理示意图。
图中标号名称：1驱动足；2柔性放大圆孔；3左矩形柱；4右矩形柱；5、6、7、8、9、10压电陶瓷；11塔形金属体。12预压力；13导轨；14、15、16x-z面内二阶弯曲振动节线；17x-z面内二阶弯曲振动模态；18y-z面内对称振动(局部弯振)模态；19、20、21、22y-z面内对称振动(局部弯 振)节线；23定子支撑位置；24导轨倾斜角θ度。25压电陶瓷极化方向；26y-z面内对称振动(局部弯振)模态激励信号；27x-z面内二阶弯曲振动模态激励信号。28、29定子驱动足端面质点运动轨迹；30定子驱动足端面质点运动轨迹与导轨夹角(90-θ)度；31定子驱动足端面质点运动轨迹与导轨夹角(180-θ)度；32、33导轨运动方向。
具体实施方式：
一种直线运动超声电机如图2所示，由定子和导轨构成，其导轨具有倾斜角θ度24，被预压力12压在定子上，其定子由图1所示。其特点：定子是由带有一个驱动足1、一个柔性放大圆孔2和两个矩形柱3、4的塔形金属体11构成，塔形金属体11的外表面对称地粘贴有六片压电陶瓷5、6、7、8、9、10，用于激发塔形金属体11的振动。如图3所示，其中，压电陶瓷6、7、9、10用于激发塔形定子在x-z面内的二阶弯曲振动模态17；压电陶瓷5、8用于激发塔形定子在y-z面内含局部弯振的对称振动模态18。
在压电陶瓷5、8上施加y-z面内对称振动模态激励信号26，E1＝Vsin(ωt)，可激发如图4所示的定子的对称振动模态18，带动定子的驱动足产生局部纵振；相对于导轨而言，定子驱动足表面质点的运动轨迹是一条往复运动的斜直线28，它与导轨的夹角30为(90-θ)度，推动压在驱动足上的导轨沿左上方向32正向运动。
同理，在压电陶瓷6、7、9、10上施加x-z面内二阶弯曲振动模态激励信号27，E2＝Vsinωt，可激发如图5所示的定子的二阶弯曲振动模态17，带动定子的驱动足产生切向振动；相对于导轨而言，定子驱动足表面质点的运动轨迹是一条往复运动的斜直线29，它与导轨的夹角31为(180-θ)度，推动压在驱动足上的导轨沿右下方向33反向运动。
结构设计原则：
1.导轨倾斜角θ的大小要合适。导轨倾斜角θ的大小直接影响电机的可运行性。选择导轨倾斜角θ大小的原则是：模态振幅沿定子/导轨接触界面的法向分量要大于定子/导轨接触界面的粗糙度Ra。
设定子的y-z面内对称振动模态的振幅为U，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Uf＝Ucosθ；
设定子的x-z面内二阶弯曲振动模态的振幅为V，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Vf＝Vsinθ；
要使定子有效地驱动导轨，必须满足以下条件：
Ucosθ＞Ra，Vsinθ＞Ra
所以，导轨倾斜角θ的选择范围：arcsin(Ra/V)＜θ＜arccos(Ra/U)。
2.柔性放大圆孔2的孔径大小要合适。柔性放大圆孔2的孔径大小直接影响定子的纵振振幅和强度。因此，柔性放大圆孔2的孔径大小要兼顾定子纵振振幅和强度的需要。
3.压电陶瓷6、7、9、10用于激发定子在x-z面内的二阶弯曲振动模态17，由于弯振时，其波峰或波谷处应变最大，应尽量将压电陶瓷6、7、9、10分别粘贴于振动模态17的波谷和波峰附近，以提高激励效率；同理，压电陶瓷5、8用于激发定子在y-z面内的对称振动(局部弯振)模态18，应尽量将压电陶瓷5、8分别粘贴于振动模态18的局部弯振的波谷和波峰附近，以提高激励效率。
4.定子的x-z面内二阶弯曲振动模态17具有3条节线14、15、16，y-z面内对称振动(局部弯振)模态18具有4条节线19、20、21、22。使节线16、19、22具有相同的z坐标，并将定子支撑放在此z坐标处，以减小支撑对工作模态的干扰。
5.上述左矩形柱3和右矩形柱4的前后面的厚度由塔形底部向塔形顶部逐步变小，这样的变截面结构具有聚能的作用，使位于塔形顶部的驱动足的振幅变大。
Claims (3)
1.一种双向单模态斜轨塔形直线超声电机，包括定子、压电陶瓷和导轨，其特征在于：上述定子整体为塔形金属体(11)，由驱动足(1)以及与驱动足(1)相连的左矩形柱(3)和右矩形柱(4)构成，上述驱动足(1)与左矩形柱(3)及右矩形柱(4)相连接处还具有柔性放大圆孔(2)；
上述压电陶瓷一共有六片(5、6、7、8、9、10)对应地粘贴在上述左矩形柱(3)和的右矩形柱(4)的前、后、外侧共六个外表面，用于激发定子x-z面内二阶弯曲振动模态(17)和y-z面内对称振动模态(18)；
上述导轨(13)由预压力(12)压在定子驱动足(1)上；
上述导轨倾斜角为θ，导轨倾斜角θ(24)大小的原则是：模态振幅沿定子和导轨接触界面的法向分量要大于定子和导轨接触界面的粗糙度Ra，即设定子的y-z面内对称振动模态的振幅为U，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Uf＝Ucosθ；设定子的x-z面内二阶弯曲振动模态的振幅为V，则此振动模态垂直于导轨的法向振动分量为：Vf＝Vsinθ；要使定子有效地驱动导轨，必须满足以下条件：Ucosθ＞Ra，Vsinθ＞Ra；所以，导轨倾斜角θ(24)的选择范围：arcsin(Ra/V)＜θ＜arccos(Ra/U)。
2.一种如权利要求1所述的双向单模态斜轨塔形直线超声电机的塔形定子，其特征在于：上述左矩形柱(3)和右矩形柱(4)的前后面的厚度由塔形底部向塔形顶部逐步变小。
3.一种如权利要求1所述的双向单模态斜轨塔形直线超声电机的电激励方式，其特征在于：
设沿斜导轨向左上为正方向，沿斜导轨向右下为负方向；
定子的两个正交工作模态分别为y-z面内对称振动模态(18)和x-z面内二阶弯曲振动模态(17)；
其中y-z面内对称振动模态(18)由分别贴在左矩形柱(3)外侧面和右矩形柱(4)外侧面的共两块压电陶瓷片(5、8)激发，当定子以y-z面内对称振动模态(18)振动时，左矩形柱(3)和右矩形柱(4)产生局部弯振，并带动驱动足(1)产生局部纵振；相对于导轨而言，定子驱动足表面质点的运动轨迹是一条往复运动的斜直线(28)，它与导轨的夹角(30)为(90-θ)度，推动压在驱动足上的导轨正向运动(32)；
其中x-z面内二阶弯曲振动模态(17)由分别贴在左矩形柱(3)和右矩形柱(4)前、后表面的共四块压电陶瓷片(6、7、9、10)激发，当定子以x-z面内二阶弯曲振动模态(17)振动时，驱动足(1)产生水平振动；相对于导轨而言，定子驱动足表面质点的运动轨迹是一条往复运动的斜直线(29)，它与导轨的夹角(31)为(180-θ)度，推动压在驱动足上的导轨反向运动(33)。
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