CN103580533B

CN103580533B - 双翼形直线超声电机

Info

Publication number: CN103580533B
Application number: CN201310389544.7A
Authority: CN
Inventors: 张健滔; 李朝东
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2013-09-02
Publication date: 2015-12-23
Anticipated expiration: 2033-09-02
Also published as: CN103580533A

Abstract

本发明涉及一种双翼形直线超声电机。它包括定子和动子，定子为一个带双翼的空心圆柱体，其圆孔内加工有内螺纹，双翼的上下表面粘贴压电陶瓷片，动子为一带外螺纹的圆柱体，定子与动子通过螺纹旋配。电机工作振动模态：当定子双翼同向弯曲振动时，激发定子第一个工作振动模态；当定子双翼反向弯曲振动时，激发定子第二个工作振动模态。利用两相具有相位差的正弦信号激励出定子的两个工作振动模态，使它们具有合适的响应相位差，定子将驱动动子进行旋转直线运动。该直线超声电机推重比大、工作效率高、易于小型化、制作工艺简单、成本低。

Description

双翼形直线超声电机

技术领域

本发明涉及一种直线超声电机，特别涉及一种双翼形直线超声电机。

背景技术

直线超声电机相对于电磁式直线电机，具有可控性能好、断电自锁、低速输出、无电磁干扰等优点。在精密驱动、仪器仪表、智能机器人、航空航天等领域有广泛的应用前景。目前国内直线超声电机技术正在快速发展，而微型螺纹直线超声电机备受关注。国家专利CN200480032928.2提出一种螺杆直线超声电机，该电机利用两个一阶弯振模态工作，驱动螺纹轴沿旋转轴方向直线移动。国家专利CN200510114849.2、CN200720172974.3提出了一种多面体直线超声电机，定子通过激发其面内弯曲行波，来驱动动子旋转并沿轴向直线运动。国家专利CN200920106281.3提出一种一端或中部固定的螺纹直线超声电机，其利用两个弯振模态工作，驱动螺杆沿轴向直线运动。国家专利CN201110120487.3公开了一种模态转换型直线超声电机，其通过纵扭模态转换器将纵向振动转换为扭振，驱动动子旋转并沿轴向直线运动。国家专利CN201210371158.0公开了螺纹直线超声电机，其螺纹副为可更换的。这些螺纹副驱动直线超声电机具有运行速度低无需减速、定位精度高、易于微型化等特点。但目前随着个人便携式电子设备和微型机械产品的发展，不单对电机结构微型化、低制作成本提出了要求，而且针对不同电子设备的狭小安装空间，需要更多结构样式的微型直线电机，以使其能与电子设备融合集成，减小整体体积。与此同时，还对微型直线电机提出了大输出力、低能耗、高工作效率等要求。

发明内容

本发明针对已有技术中的不足，提出一种结构简单、易于制作、推重比大、工作效率高的双翼形直线超声电机。

一种双翼形直线超声电机，包括定子和动子。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：其特征在于：所述定子为一个带双翼的空心圆柱体，其圆孔内加工有内螺纹，双翼的上下表面粘贴有压电陶瓷片，或者，只在双翼的上表面或下表面粘贴有压电陶瓷片，动子为一带外螺纹的圆柱体，定子与动子通过螺纹旋配。

上述的双翼形直线超声电机，其特征在于：其工作振动模态为：当定子双翼同向弯曲振动时，激发定子第一个工作振动模态，空心圆柱体前后两端进行左右运动；当定子双翼反向弯曲振动时，激发定子第二个工作振动模态，空心圆柱体前后两端进行上下运动。

上述的双翼形直线超声电机，其特征在于：其运作方式为：利用正弦信号给左翼压电陶瓷片供电，利用有一定相位差的另一正弦信号给右翼压电陶瓷片供电，激发出定子的两个同频工作振动模态，使定子前后两端驱动质点产生椭圆运动，并驱动动子进行旋转直线运动。通过改变两正弦信号的相位差，来改变两个工作振动模态的响应相位差，可以实现动子反向直线运动。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：（1）结构创新。电机定子带双翼的空心圆柱结构通过双翼放大了电机转换的效果，利于更多的电能转换为振动能，并使得双翼的振动能聚集于空心圆柱结构，以驱动动子旋转运动。该结构利于提高微型螺纹直线电机的输出力、提高推重比。（2）工作振动模态创新。通过双翼同向与反向变形的配合，实现空心圆柱结构前后端驱动质点的椭圆运动，来推动动子正反向直线运动。本发明电机具有结构简单、易于小型化、输出力与推重比大、工作效率高、低速直接驱动等特点。

附图说明

图1是本发明双翼形直线超声电机结构示意图。

图2是本发明直线超声电机定子第一个工作模态的振型图。

图3是本发明直线超声电机定子第二个工作模态的振型图。

图4是本发明直线超声电机电激励接线图及压电陶瓷片极化方向示意图，图中箭头代表压电陶瓷片的极化方向。

图5是本发明直线超声电机工作原理示意图，其中椭圆轨迹是定子空心圆柱结构前端驱动质点的运动轨迹。

具体实施方式

本发明提出的双翼形直线超声电机的优先实施例结合附图详述如下：

实施例一：

本双翼形直线超声电机如图1所示。其特点：定子11为一个带双翼的空心圆柱体，其圆孔内加工有内螺纹，双翼的上下表面粘贴有压电陶瓷片13、14、15、16，或者，只在双翼的上表面或下表面粘贴有压电陶瓷片，动子12为一带外螺纹的圆柱体，定子与动子通过螺纹旋配。定子驱动动子旋转直线运动，图1中31为动子的旋转方向，32为动子的直线运动方向。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

本双翼形直线超声电机所利用的两个工作模态的振型如图2和图3所示。图2的工作模态其特点：定子双翼同向弯曲振动时，空心圆柱前后两端进行左右运动。其中双翼向右侧弯曲时，空心圆柱前后两端向左运动；其中双翼向左侧弯曲时，空心圆柱前后两端向右运动。图3的工作模态其特点：定子双翼反向弯曲振动时，空心圆柱前后两端进行上下运动。其中左翼向左侧弯曲而右翼向右侧弯曲时，空心圆柱前后两端向上运动；左翼向右侧弯曲而右翼向左侧弯曲时，空心圆柱前后两端向下运动。

实施例三：本实施例与实施例二基本相同，特别之处如下：

所述的双翼形直线超声电机的一种压电陶瓷片的具体布置方式及电信号激励接线方式如图4所示。电机左翼的两侧粘贴有压电陶瓷片13、14，右翼的两侧粘贴有压电陶瓷片15、16，压电陶瓷片的极化方向如图4箭头所示。也可左翼只粘贴压电陶瓷片13或14，右翼只粘贴有压电陶瓷片15或16。当信号输入端1接入正弦电压信号E=W ₀sin(ωt)，信号输入端2接入正弦电压信号E=W ₀sin(ωt+φ)，信号输入端3接地，会激励出定子的两个工作振动模态，它们的响应相位差为φ。当两正弦电信号的相位差φ取适合值时，定子驱动转子旋转直线运动。通过改变两正弦信号的相位差φ，可以改变两个工作振动模态的响应相位差，实现动子反向直线运动。

图5是双翼形直线超声电机工作原理示意图，电机定子压电陶瓷片的布置方式与驱动信号加载方式如图4，给信号输入端1提供驱动信号E=W ₀sin(ωt)，同时给信号输入端2提供驱动信号E=W ₀cos(ωt)，信号输入端3接地。图5所示为定子驱动质点驱动动子一工作周期的示意图。状态（1）—状态（2）—状态（3）为定子驱动动子逆时针旋转一个步长，而且旋转的角度通过螺纹作用转换为动子轴向的直线运动。状态（3）—状态（4）—状态（1）为定子脱离动子进行复位，准备下一周期的驱动。如此高频重复，可使动子持续逆时针旋转直线运动。当给信号输入端1提供驱动信号E=W ₀cos(ωt)，同时给信号输入端2提供驱动信号E=W ₀sin(ωt)，信号输入端3接地，可实现动子反向直线运动。

Claims

1.一种双翼形直线超声电机，包括定子（11）和动子（12），其特征在于：所述定子（11）为一个带双翼的空心圆柱体，其圆孔内加工有内螺纹，双翼的上下表面粘贴有压电陶瓷片（13、14、15、16），或者，只在双翼的上表面或下表面粘贴有压电陶瓷片，动子（12）为一带外螺纹的圆柱体，定子（11）与动子（12）通过螺纹旋配。

2.如权利要求1所述的双翼形直线超声电机，其特征在于：其工作振动模态为：当定子（11）上的双翼（13、14、15、16）同向弯曲振动时，激发定子第一个工作振动模态，空心圆柱体前后两端进行左右运动；当定子（11）上的双翼（13、14、15、16）反向弯曲振动时，激发定子第二个工作振动模态，空心圆柱体前后两端进行上下运动。

3.如权利要求1所述的双翼形直线超声电机，其特征在于：其运作方式为：利用两相具有相位差的正弦信号分别给左右双翼上的压电陶瓷片（13、14、15、16）供电，激励出定子（11）的两个工作振动模态，使它们具有设计的响应相位差，定子将驱动动子（12）进行旋转直线运动；通过改变两正弦信号的相位差，以改变两个工作振动模态的响应相位差，可实现动子反向直线运动。