基于弯振模态的直线超声电机及其电激励方法技术

本发明专利技术公开了基于弯振模态的直线超声电机及其电激励方法，属于超声电机的技术领域。电机包括：底板、对称板状结构的定子组件、两个夹持件、预压力施加装置、动子，定子组件包括：两振子以及链接两振子的驱动足，每个夹持件上开有用于固定在底板上的第一通孔、用以支持预压力施加装置的第二通孔、与振子连接的第三通孔，预压力施加装置包括：穿过各夹持件第二通孔的螺杆、套在螺杆两端的弹簧以及套在螺杆两端用以压缩弹簧的螺母，支持件在弹簧产生的弹力作用下旋转，驱动足端面在其发生形变后与动子接触并压紧以提供推动动子运动的预压力，提高电机的稳定性、能量利用率和整机的输出力。一种频率工作频率的电激励方式驱动电机在两个方向运动。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了，属于超声电机的技 术领域。
技术介绍
超声电机是20世纪80年代迅速发展的一种新型微特电机，利用压电陶瓷的逆压 电效应，通过电信号激发弹性体的超声振动，通过定子与动子之间的摩擦作用驱动负载。直 线超声电机是超声电机的一种，它将弹性体的微幅振动转换为动子(导轨）的直线运动。它 具有整体质量小、惯性小、响应快、断电自锁、具有较大的推重比等特点。其结构设计灵活， 便于装配，在航空航天、国防、精密驱动及定位等领域就有广泛的应用前景。 直线超声电机的结构设计围绕两个技术问题展开：一是确定最优的电机定子结构 形式，二是寻求合适的定子夹持方式。已有的研究表明，最优的定子结构具有简单的结构形 式，通常采用杆结构和板结构，它们具有振动模态纯，没有干扰模态的优点，因而振动效率 高。从电机的设计要求来讲，要实现电机的双向运动，必须利用结构两个模态的振动。通常 采用的工作模态有弯曲振动和纵向振动，或者采用不同方向的弯曲振动。公开日为2014年 7月23日、公开号为CN103944445A的专利技术提出了"一端铰支的直线超声电机的夹持定位装 置"的专利，该专利采用夹心式结构形式，并提出采用弯曲振动驱动电机向一个方向运动， 利用纵向振动驱动电机向另一个方向运动，这个专利技术的不足是很难调节这两项频率一致且 纵向振动的驱动效果比弯曲振动差。 为了克服上述问题，公开日为2010年7月14日、公开号为CN101777852A的专利技术 提出了"双定子弯曲模态直线超声电机及工作模态和电激励方式"的专利，它的特征在于： 电机整体结构为变幅杆状结构，利用的工作模态为两个正交弯曲振动模态。由于电机采用 同形的、相互垂直的振动模态，因此，两项振动模态的频率是相同的，但是，该电机只能在一 个方向上安装夹持件，因此，夹持件的不对称又破坏了整个电机结构的对称性。 直线超声电机夹持方式的设计是直线超声电机设计的重要内容，但是没有受到重 视。公开日为2010年6月9日、公开号为CN101728972A的专利技术专利提出了 "基于连续变 幅杆原理的K形直线超声电机的夹持定位装置"，该专利技术提出和设计了开口外框，并利用弹 簧和柔性铰链施加预压力，通过调节开口外框的位置调节预压力，但是，该夹持方式稳定性 差，夹持的纵向刚度和切向刚度在一个量级上，限制了输出力的提高。为了克服这一问题， 虽然"一端铰支的直线超声电机的夹持定位装置"的专利，具有高的结构稳定性和 大的推力，但是，基于一端铰支的方式破坏了结构的对称性，使得电机在两个运动方向上的 输出特性不一样。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提供了基于弯振模态的 直线超声电机及其电激励方法，公开的两端铰支的双振子直线超声电机提高了电机稳定 性、能量利用率以及整机输出力，利用振子弯振模态在一个频率下驱动电机双向运动，解决 了一端铰支电机对称性差且输出特性不一样、采用两种模态驱动电机向在不同方向运动很 难调节这两项频率一致且驱动效果有差异的技术问题。 本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案： 基于弯振模态的直线超声电机，包括：底板、对称板状结构的定子组件、两个夹持件、预 压力施加装置、动子，其中， 所述定子组件包括：两振子以及链接两振子的驱动足； 每个夹持件上开有用于固定在底板上的第一通孔、用以支持预压力施加装置的第二通 孔、与所述振子连接的第三通孔； 所述预压力施加装置包括：穿过各夹持件第二通孔的螺杆、套在螺杆两端的弹簧以及 套在螺杆两端用以压缩弹簧的螺母； 支持件在弹簧产生的弹力作用下旋转，驱动足端面在其发生形变后与动子接触并压紧 以提供推动动子运动的预压力。 作为所述基于弯振模态的直线超声电机的进一步优化方案，每个振子包括：紧固 螺栓、2η组压电陶瓷片、配重块、端盖，所述紧固螺栓由外侧向内侧依次将配重块、η组压电 陶瓷片、支持件、η组压电陶瓷片、端盖固定在一起，η为正整数。 再进一步的，所述基于弯振模态的直线超声电机中，每组压电陶瓷片极化方式相 同，每组压电陶瓷片包括两片正负区域倒置的压电陶瓷片。 作为所述基于弯振模态的直线超声电机的进一步优化方案，每个振子还包括与驱 动足链接的柔性铰链，驱动足与两个振子上的柔性铰链呈倒置的V形。 更进一步的，基于弯振模态的直线超声电机的电激励方法，用正弦信号激励一侧 振子，用余弦信号激励另一侧振子，压电陶瓷片受到电激励后沿厚度方向振动的效应激发 出所述直线超声电机的面内弯振对称模态和反对称模态，对称模态和反对称模态中驱动足 在空间相位上相差为/2,驱动足端面在弯振模态下产生的椭圆运动驱动动子双向运动。 本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果： (1) 对称板状结构的定子组件以及两端铰支的方式实现了电机结构的对称，两支持件 首尾部对电机整体进行定位和支持，提高了电机的稳定性，支持件与底座铰支，通过压缩预 压力施加装置中的弹簧使具有柔性的驱动足发生形变，定子与动子间产生稳定、较大的预 压力，最大限度的提高了电机的输出力； (2) 利用弯振低频率特性设计的具有柔性驱动足的定子，进一步改善定子夹持方式和 预压力施加方式，提高了电机的稳定性、能量利用率和整机的输出力； (3) 利用弯振的工作频率，通过输入信号的相位改变动子运动方向，降低了激发频率， 提高了振动效率，实现了一种工作频率驱动电机在不同方向上的运动，由于本专利技术仅仅利 用弯振并采用对称结构，因此电机在两个方向的运动状态、运行速度都相同，避免了电机在 两个方向的驱动效果有差异。【附图说明】 图1是本专利技术涉及的基于弯振的双振子直线超声电机的结构示意图； 图2是本专利技术中定子结构及电信号加载示意图； 图3是图1中支持件的结构示意图； 图4是图1中预压力施加装置的示意图； 图5是压电陶瓷极化方向的示意图； 图6是本专利技术所述超声电机工作模态的示意图，其中，图6 (a)是定子对称模态， 图6 (b)是定子的反对称模态，图6所示的两个振动模态中驱动足在空间相位上相差 π/2。 图中标号名称：1、底板，2、定子组件，3、支持件，4、预压力施加装置，5、动子，21、驱 动足，22、驱动足柔性铰链，23、紧固螺栓，24、压电陶瓷片，25、配重块，26、端盖，31、第一通 孔32、第二通孔，33、第三通孔，41、螺杆，42、弹簧，43、螺母。【具体实施方式】 下面详细描述本专利技术的实施方式，下面通过参考附图描述的实施方式是示例性 的，仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。 本领域的技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语 和科学术语）具有本专利技术所属
中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该 理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意 义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。 如图1和图2所不，本实施方式中的基于弯振的双振子直线超声电机，包括：底板 1、定子组件2、动子5和夹持组件3、预压力施加装置4。底板1开有螺纹孔，用于安装定子 2组件和动子5 ;定子组件2当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于弯振模态的直线超声电机，其特征在于，包括：底板（1）、对称板状结构的定子组件（2）、两个夹持件（3）、预压力施加装置（4）、动子（5），其中，所述定子组件（2）包括：两振子以及链接两振子的驱动足（21）；每个夹持件（3）上开有用于固定在底板（1）上的第一通孔（31）、用以支持预压力施加装置（4）的第二通孔（32）、与所述振子连接的第三通孔（33）；所述预压力施加装置（4）包括：穿过各夹持件第二通孔（32）的螺杆（41）、套在螺杆（41）两端的弹簧（42）以及套在螺杆（41）两端用以压缩弹簧的螺母（43）；支持件（3）在弹簧产生的弹力作用下旋转，驱动足（21）端面在其发生形变后与动子（5）接触并压紧以提供推动动子（5）运动的预压力。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚志远，付前卫，张阳阳，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32