[实用新型]基于交变力的直线超声电机

说明书

技术领域

基于交变力的直线超声电机及工作模态和电激励方式，属超声电机技术领域。

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。与电磁电机相比，具有结构紧凑、低速大转矩、响应快(毫秒级)、断电自锁、位置和速度控制性好、不受电磁干扰以及低噪声运行等优点，在航空航天、微型机械、机器人、精密仪器仪表、伺服机构、医疗器械等领域拥有广阔的应用前景。

直线型超声电机属于超声电机的一个分类。按照直线型超声电机定子的结构是平板和杆(或杆的组合结构)，将直线超声电机划分为板结构和杆结构。板结构直线超声电机虽然其结构简单，设计灵活，但其输出速度和力较小。对于工业机器人、航空航天等应用领域需要具有大输出力、效率高的直线型超声电机。杆式直线超声电机，具有输出力、运行速度大等优点。其一般包括动子和定子，其结构特征在于：动子为一直线导轨，定子由若干个兰杰文振子构成，通过调节频率一致，使振子两相振动模态复合振动(运动)，在驱动足形成空间椭圆运动，与动子接触摩擦推动动子运动。对于这类超声电机在定、转子的接触界面上，定、转子的相互作用表现为切向和法向表变力的共同作用，它们在空间相互垂直，在时间上相差π/2。但是，由于现有的直线超声电机利用结构的振动提供法向力(通常是定子的对称模态产生的法向振动)。在这种设计中，定子的对称模态的振动状态受定、转子间的预压力的影响，当预压力充分大时，定子的对称模态的振动将受到限制，从而导致法向交变力减小，输出力降低。也就是说，现有的直线超声电机的结构特征限制了电机输出力的进一步提高。本项实用新型，仅仅利用结构的一项振动模态，提供切向交变力，并利用纵振压电片直接提供法向交变力。由于法向交变力不受预压力的影响，因此，可以通过增加预压力提高电机的输出力。本实用新型提出的直线超声电机将会比现有的直线超声电机具有更大的输出力。另外，本实用新型仅仅利用了结构的一项模态，因此，不存在现有直线超声电机设计中存在的模态一致性问题，使得结构设计更加容易和简单。

目前国内直线超声电机的研究发展很快，清华大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学等高校先后对直线超声电机展开了研究。在中国专利网上，从2004年开始陆续刊登了环形驻波直线超声电机【200510046044.9】、棱柱型纵弯复合振子直线超声电机【200610132316.1】、三角形弯板式压电直线超声电机【200710045921.X】、H形驻波直线超声电机振子【200820014739.8】等。近年来，南京航空航天大学研制成功了圆柱结构双轮足驱动直线超声电机及电激励方法【200710020963.8】、基于连续变幅杆原理的K形直线超声电机【200810124426.2】等。这类直线都利用了结构的两项模态，通过对称模态振动(或纵振、或弯振模态)提供法向交变力。目前，尚未见到利用一项结构振动提供切线交变力、直接利用纵振压电陶瓷提供法向交变力的直线超声电机的报道。

实用新型内容

本实用新型的目的在于研制一种结构简单、输出力大、运行速度快、输出效率高的基于交变力的直线超声电机及工作模态和电激励方式。与传统直线超声电机依靠驱动足形成空间椭圆运动进而推动动子的驱动方式不同，本电机提出了一种以力变化为基础的全新的驱动方式，不涉及振动模态频率一致性问题，使直线超声电机的结构设计更加容易，输出力更大。

本实用新型为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种基于交变力的直线超声电机，包括定子和动子，所述定子包括左右两个兰杰文振子沿中心线对接构成，每个兰杰文振子包括前端盖、后端盖、压电陶瓷片和对应的电极片组成，且每个兰杰文振子整体呈截面由尾部向头部渐缩的连续截面杆式结构，左右两个兰杰文振子的头部对接连为一体，兰杰文振子的下部设有夹持件，所述夹持件安装于一组压电陶瓷片之间，所述定子的两端设有预紧力螺栓，在两个兰杰文振子对接处平行于振子弯振面的表面粘贴一片驱动足用压电陶瓷片，在驱动足用压电陶瓷片上再粘贴电极片以及摩擦片构成驱动足，所述动子为一直线导轨，与所述定子设置成“十”字形结构，并在驱动足处相互接触。

一种直线超声电机的电激励方法，首先对于定子左右的两个兰杰文振子，利用同频正弦信号激发出弯振模态，由于结构的对称性，在驱动足处的定子振动总是平行于动子的运动方向，振动中的定子与动子由于摩擦作用产生沿动子运动方向的切向力；其次利用与上述正弦信号相位差为π/2的同频正弦信号激发驱动足用压电陶瓷片，驱动足用压电陶瓷片的伸缩使驱动足表面挤压应力呈周期性变化，使得驱动足做往复运动的时候驱动力会呈周期性变化。

有益效果：