CN113595438B - 菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机及其定子 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机及其定子，定子包括一对称杆和四组压电陶瓷片，该对称杆包括菱形中空杆和两端直杆，该菱形中空杆中心设有贯穿的中心贯穿孔；该菱形中空杆两棱线处设为驱动足；该两端直杆上都设有端部圆柱孔；该每一端直杆外还配设有两金属块，该两金属块间及端直杆末端面和金属块间都夹设有压电陶瓷片组；该各个压电陶瓷片之间，及，压电陶瓷片组与对称杆之间都装有作为电极的铜片；另配设预紧螺栓穿过金属块、压电陶瓷片、薄铜片并螺接在端直杆内以将它们固接构成一个整体；该定子相对两对角线面都轴向对称设置。它具有如下优点：输出效率高、驱动力大，结构紧凑、控制性能好、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及超声电机技术领域，尤其涉及一种菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机及其定子。
背景技术
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。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两种。该夹心式结构如公开号为CN101072000A，创造名称为单驱动足夹心换能器式纵弯直线超声电机的专利申请公开文件，其变幅杆虽采用由两端向中部逐渐变细截面的四棱体解决了振动能量的闲置问题，但只有一个驱动足的单个动子运动输出，工作效率低。
发明内容
本发明提供了菱形双纵振夹心式激励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。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机，包括定子、动子和连接该定子及动子的夹持装置；该定子包括一根由金属材料制成的对称杆和四组压电陶瓷片，该对称杆包括菱形中空杆和两端直杆，该每组压电陶瓷片组都包括四片压电陶瓷片；该菱形中空杆定义有两个分别过菱形两对角线的第一对角线面和第二对角线面，该第一对角线面和第二对角线面垂直布置；该菱形中空杆中心设有贯穿的中心贯穿孔；该菱形中空杆之位于第一对角线面上的两棱线处设为驱动足；该两端直杆固设在菱形中空杆两侧，该两端直杆上都设有平行中心贯穿孔且贯穿设置的端部圆柱孔，该端部圆柱孔轴线位于第二对角线面上；该每一端直杆外还配设有两内外间隔布置在端直杆末端面外的金属块，该两金属块间及端直杆末端面和金属块间都夹设有一组压电陶瓷片组，每相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反，且压电陶瓷片沿厚度方向极化；该各个压电陶瓷片之间，及，压电陶瓷片组与对称杆之间都装有作为电极的铜片；另配设预紧螺栓穿过金属块、压电陶瓷片、薄铜片并螺接在端直杆内以将它们固接构成一个整体；该定子相对第一对角线面和第二对角线面都轴向对称设置。
一实施例之中：该第一对角线面沿上下向布置，该第二对角线面沿左右向布置，该中心贯穿孔、端部圆柱孔都前后贯穿设置；该端直杆、金属块都呈长方体结构，该端直杆、金属块的外周侧壁齐平，该端直杆、菱形中空杆的前后侧壁齐平。
一实施例之中：该金属块、薄铜片中心都设有左右贯穿的安装孔，该端直杆末端面中心凹设有安装槽，该安装槽通至端部圆柱孔，该预紧螺栓连接该安装孔和安装槽。
一实施例之中：该两个驱动足截面为矩形或圆形。
一实施例之中：该驱动足的中心与对称杆中心的间距为1/2纵振波长。
一实施例之中：该端部圆柱孔直径小于中心圆柱孔直径。
一实施例之中：该对称杆和驱动足采用一整块金属材料加工而成。
一实施例之中：该两端直杆为第一端直杆和第二端直杆；在第一端直杆的两压电陶瓷片组施加正弦电压时，每对纵振陶瓷片同步膨胀或收缩，激发纵向振动；在第二端直杆的两组压电陶瓷片组实施与其同频率相位差为90°的余弦电压，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；当施加电压反向时，椭圆轨迹方向反向，从而使得动子双向运动。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机定子，包括一根由金属材料制成的对称杆和四组压电陶瓷片，该对称杆包括菱形中空杆和两端直杆，该每组压电陶瓷片组都包括四片压电陶瓷片；该菱形中空杆定义有两个分别过菱形两对角线的第一对角线面和第二对角线面，该第一对角线面和第二对角线面垂直布置；该菱形中空杆中心设有贯穿的中心贯穿孔；该菱形中空杆之位于第一对角线面上的两棱线处设为驱动足；该两端直杆固设在菱形中空杆两侧，该两端直杆上都设有平行中心贯穿孔且贯穿设置的端部圆柱孔，该端部圆柱孔轴线位于第二对角线面上；该每一端直杆外还配设有两内外间隔布置在端直杆末端面外的金属块，该两金属块间及端直杆末端面和金属块间都夹设有一组压电陶瓷片组，每相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反，且压电陶瓷片沿厚度方向极化；该各个压电陶瓷片之间，及，压电陶瓷片组与对称杆之间都装有作为电极的铜片；另配设预紧螺栓穿过金属块、压电陶瓷片、薄铜片并螺接在端直杆内以将它们固接构成一个整体；该定子相对第一对角线面和第二对角线面都轴向对称设置。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：输出效率高、驱动力大，结构紧凑、控制性能好、成本低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本具体实施方式的定子的整体装配图。
图2是本具体实施方式的定子的对称杆、陶瓷片及薄铜片的配合结构示意图。
图3是本具体实施方式的定子的每组压电陶瓷片组中的任意两片极性相对的陶瓷片的结构示意图。
图4是本具体实施方式的定子在频率25.516kHz的模态分析图。
图5是本具体实施方式的定子在频率24.328kHz的模态分析图。
具体实施方式
请查阅图1，菱形双纵振贴片式激励双足直线超声电机，包括定子、动子和连接定子及动子的夹持装置，该动子、夹持装置可参照现有技术。
该定子包括一根由金属材料制成的对称杆1和四组压电陶瓷片3、4、5、6，该对称杆包括菱形中空杆11和两端直杆12。该菱形中空杆11定义有两个分别过菱形两对角线的第一对角线面和第二对角线面，该第一对角线面和第二对角线面垂直布置，该第一对角线面沿上下向布置，该第二对角线面沿左右向布置；该菱形中空杆11中心设有前后贯穿的中心贯穿孔111。该菱形中空杆11之位于第一对角线面上的两棱线处设为驱动足13，该两个驱动足13截面为矩形或圆形，该结构可使驱动足与夹持部件的导轨平面充分接触，以提高直线超声电机的工作稳定性；该驱动足的中心与对称杆1中心的间距L为1/2纵振波长。
该两端直杆12为长方体，该长方体厚度(前后间距)和菱形中空杆11厚度(前后间距)距离相等，该两端直杆12左右对称固设在菱形中空杆11之左右两侧且前后对齐，该两端直杆12上都设有沿前后向贯穿设置的端部圆柱孔121，该端部圆柱孔121轴线位于第二对角线面上；其中，该两端直杆12相对第一对角线面轴向对称布置，且，该端直杆12还相对第二对角线面轴向对称布置。该端部圆柱孔121直径为中心圆柱孔111的二分之一，此结构可进一步缩小模态频率差。
该每一端直杆12外还配设有两呈长方体结构的金属块14，该长方体厚度(前后间距)和菱形中空杆11轴线距离相等，该两金属块14依序按内外序地布置在端直杆12末端面外，两金属块14间及端直杆12末端面和金属块14间都形成安装间隔，每个安装间隔内都装设有一组压电陶瓷片组，该每组压电陶瓷片组都包括四片纵振的压电陶瓷片7。该压电陶瓷片组3、4、5、6的各个压电陶瓷片7之间，及，压电陶瓷片组与对称杆1之间(压电陶瓷片组与端直杆12末端面之间，及，压电陶瓷片组与金属块端面之间)都装有作为电极的薄铜片8，上述薄铜片8中的接地铜片共有十片；另配设预紧螺栓2穿过金属块13、压电陶瓷片7、薄铜片8并螺接在端直杆12内以将金属块13、压电陶瓷片7、薄铜片8和对称杆12固接构成一个整体，且，该金属块13、压电陶瓷片7、薄铜片8的外周侧壁对齐。其中，每相邻两片压电陶瓷片7的极化方向相反，各压电陶瓷片沿厚度方向极化，用“+”“-”表示电畴即极化方向。具有结构中：该金属块14、薄铜片8中心都设有左右贯穿的安装孔，该端直杆12末端面中心凹设有安装槽，该安装槽通至端部圆柱孔121，该预紧螺栓2连接该安装孔和安装槽。
该定子相对第一基准面和第二基准面都轴向对称设置。该对称杆1和驱动足采用一整块金属材料加工而成，以减少能量损失，结构简单易加工。
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4和图5所示。从图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，如图5所示。根据模态分析的频率25.516kHz，定子驱动足上下移动距离最大，如图4所示；频率为24.328kHz，定子驱动足左右移动距离最大，如图5所示。
本具体实施方式超声电机的工作原理如下描述：它利用压电陶瓷的纵向振动推动动子输出直线位移，如图3所示，在压电陶瓷片组3、4施加正弦电压时，每对纵振陶瓷片同步膨胀或收缩，激发纵向振动；在压电陶瓷片组5、6实施与其同频率相位差为90°的余弦电压，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。当施加电压反向时，椭圆轨迹方向反向，从而使得动子双向运动。对称杆1中部的菱形中空结构可提高驱动足部位的振幅和振速，使电机的性能有了大幅度的提高。
本具体实施方式的超声电机将夹心式结构、菱形结构、圆柱孔结构及对称结构结合在一起，其中：一、夹心结构的超声电机的压电陶瓷采用螺纹结构预紧，压电陶瓷工作于d33模式，在电机工作过程中压电陶瓷始终处于压应力状态，使该类电机具有抗压特点，使该类电机可以施加相当大预紧力，使该类电机压电陶瓷能充分发挥其出力密度大的优势，能有效地提高超声电机的输出性能，使夹心结构的超声电机可以在各种极端环境下稳定工作，如具真空、高低温、强电磁干扰等极端环境的外太空；二、采用菱形结构配合圆柱孔结构，菱形结构驱动足接触区域有转动，适用于高分辨率驱动，以点接触或线接触方式推动动子，且，菱形工作定位更精准，出力密度大；三、压电陶瓷用于激励弹性体的纵振模态和弯振模态，其中利用结构纵振模态的直线超声电机具有较高的推力和效率；四、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。
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。
Claims (7)
1.菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机，包括定子、动子和连接该定子及动子的夹持装置；其特征在于：该定子包括一根由金属材料制成的对称杆和四组压电陶瓷片，该对称杆包括菱形中空杆和两端直杆，每组压电陶瓷片组都包括四片压电陶瓷片；该菱形中空杆定义有两个分别过菱形两对角线的第一对角线面和第二对角线面，该第一对角线面和第二对角线面垂直布置；该菱形中空杆中心设有贯穿的中心贯穿孔；该菱形中空杆之位于第一对角线面上的两棱线处设为驱动足；该两端直杆固设在菱形中空杆两侧，该两端直杆上都设有平行中心贯穿孔且贯穿设置的端部圆柱孔，该端部圆柱孔轴线位于第二对角线面上；每一端直杆外还配设有两内外间隔布置在端直杆末端面外的金属块，该两金属块间及端直杆末端面和金属块间都夹设有一组压电陶瓷片组，每相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反，且压电陶瓷片沿厚度方向极化；各个压电陶瓷片之间，及，压电陶瓷片组与对称杆之间都装有作为电极的铜片；另配设预紧螺栓穿过金属块、压电陶瓷片、薄铜片并螺接在端直杆内以将它们固接构成一个整体；该定子相对第一对角线面和第二对角线面都轴向对称设置；该第一对角线面沿上下向布置，该第二对角线面沿左右向布置，该中心贯穿孔、端部圆柱孔都前后贯穿设置；该端直杆、金属块都呈长方体结构，该端直杆、金属块的外周侧壁齐平，该端直杆、菱形中空杆的前后侧壁齐平；该两个驱动足截面为矩形或圆形。
2.根据权利要求1所述的菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机，其特征在于：该金属块、薄铜片中心都设有左右贯穿的安装孔，该端直杆末端面中心凹设有安装槽，该安装槽通至端部圆柱孔，该预紧螺栓连接该安装孔和安装槽。
3.根据权利要求1所述的菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机，其特征在于：该驱动足的中心与对称杆中心的间距为1/2纵振波长。
4.根据权利要求1所述的菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机，其特征在于：该端部圆柱孔直径小于中心圆柱孔直径。
5.根据权利要求1所述的菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机，其特征在于：该对称杆和驱动足采用一整块金属材料加工而成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机，其特征在于：该两端直杆为第一端直杆和第二端直杆；在第一端直杆的两压电陶瓷片组施加正弦电压时，每对纵振陶瓷片同步膨胀或收缩，激发纵向振动；在第二端直杆的两组压电陶瓷片组实施与其同频率相位差为90°的余弦电压，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；当施加电压反向时，椭圆轨迹方向反向，从而使得动子双向运动。
7.菱形双纵振夹心式激励双足直线超声电机定子，其特征在于：包括一根由金属材料制成的对称杆和四组压电陶瓷片，该对称杆包括菱形中空杆和两端直杆，每组压电陶瓷片组都包括四片压电陶瓷片；该菱形中空杆定义有两个分别过菱形两对角线的第一对角线面和第二对角线面，该第一对角线面和第二对角线面垂直布置；该菱形中空杆中心设有贯穿的中心贯穿孔；该菱形中空杆之位于第一对角线面上的两棱线处设为驱动足；该两端直杆固设在菱形中空杆两侧，该两端直杆上都设有平行中心贯穿孔且贯穿设置的端部圆柱孔，该端部圆柱孔轴线位于第二对角线面上；每一端直杆外还配设有两内外间隔布置在端直杆末端面外的金属块，该两金属块间及端直杆末端面和金属块间都夹设有一组压电陶瓷片组，每相邻两片压电陶瓷片的极化方向相反，且压电陶瓷片沿厚度方向极化；各个压电陶瓷片之间，及，压电陶瓷片组与对称杆之间都装有作为电极的铜片；另配设预紧螺栓穿过金属块、压电陶瓷片、薄铜片并螺接在端直杆内以将它们固接构成一个整体；该定子相对第一对角线面和第二对角线面都轴向对称设置；该第一对角线面沿上下向布置，该第二对角线面沿左右向布置，该中心贯穿孔、端部圆柱孔都前后贯穿设置；该端直杆、金属块都呈长方体结构，该端直杆、金属块的外周侧壁齐平，该端直杆、菱形中空杆的前后侧壁齐平。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于纵振耦合模态的双足同步直线超声电机;李佳音;中国优秀硕士论文电子期刊网;20230415;全文 * |
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