[发明专利]非对称结构近似塔形超声电机及非对称模态与电激励方式

说明书

技术领域：

本发明的非对称结构近似塔形超声电机及非对称模态与电激励方式，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。

经对现有近似塔形超声电机的文献检索发现，Kurosawa等在《Ieee transactions on ultrasonics，ferroelectrics，and frequency control》(1998年第45卷第5期第1188-1195页)发表的《Transducer for High Speed and Large Thrust Ultrasonic Linear Motor Using Two Sandwich-Type Vibrators》，该文对一种对称结构的单驱动足V形大推力直线型超声电机的运动机理进行了详细分析，该电机利用图2所示的两个正交的对称-反对称振动模态，使定子驱动足与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。检索中又发现，李玉宝等在《中国电机工程学报》(2008年第28卷第33期第49-53页)发表的《高速大推力直线型超声电机的设计与实验研究》，该文对一种对称结构的双驱动足蝶形大推力直线型超声电机的运动机理进行了详细分析，该电机也是利用两个正交的对称-反对称振动模态，使定子驱动足与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。

上述两篇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，在定子与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；可简化驱动电源，易于实现电源的小型化和集成化。

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，定子与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，定子与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；电机工作时仅有一半压电片在工作，这不利于提高电机的机械输出性能；为了兼顾正反向运动，电机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，提出一种单模态驱动、可实现正反向运动、结构简单、大输出力、推重比大、激振效率高、振动能利用率高、响应速度快的非对称结构近似塔形超声电机及非对称模态与电激励方式。

本发明的非对称结构近似塔形超声电机，由定子和动子构成，其中动子为一直线导轨，定子由第一压电振子和第二压电振子以及驱动足组成，所述导轨在预压力的作用下压在定子驱动足上；其特征在于：所述的第一压电振子和第二压电振子为非对称式，即第一压电振子和第二压电振子长度不同，其中第一压电振子的长度为L1，第二压电振子的长度为L2，L1＞L2。

本发明的非对称结构近似塔形超声电机，其特征在于：上述定子为V型或U型。

本发明的非对称结构近似塔形超声电机，其特征在于：上述压电振子为压电陶瓷片螺栓紧固式或压电陶瓷片粘贴式。