[发明专利]一种共振式直线超声电机及控制方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种共振式直线超声电机及控制方法，属超声电机技术领域。 

背景技术：

超声电机是上个世纪80年代迅速发展起来的一种新概念的特种电机，其一般驱动机理是：利用压电材料的逆压电效应，激发弹性体在超声频段产生微幅振动，迫使接触面的质点产生椭圆轨迹运动，并通过定、动子之间的摩擦将其转换成动子的旋转或直线运动。与电磁电机相比，具有结构形式多变、低速大转矩、低噪声运行、响应快、断电自锁、位置和速度控制性好、不产生磁场亦不受电磁干扰等优点。由于具有以上诸多优点，超声电机在工业自动化、航空航天、医疗、生物工程等领域得到了大量的应用，并发挥了巨大的作用。 

直线超声电机是其中比较常见的一种，直线超声电机根据工作的方式可分为共振式直线电机和非共振式直线电机。非共振式直线超声电机有别于传统的超声电机，一般采用压电叠堆作为作动单元，通过控制压电叠堆的静变形，来间接控制接触面质点的运动轨迹。其工作方式与振动模态不相关，因此可以在较低的频率上工作，由于接触面质点的运动轨迹来源于弹性体的静变形，因此推重比较大且位移精度高。但缺点是：最大输出速度较低，加工精度要求很高；共振式直线超声电机采用了传统超声电机的一般工作原理，工作在固有振动模态下，工作频率一般较高，推重比相对非振式的电机较低，但是最大输出速度较高、制造成本较低。 

发明内容：

本发明提出了一种共振式直线超声电机及控制方法，该电机具有结构简单、紧凑，易于加工和微、小型化、推力大等特点。 

本专利所采用的技术原理及方案是： 

本发明提出的共振式直线超声电机由定子、动子、基座及附属配件构成，包括：定子基体，压电陶瓷，基座，滑块，轨道，氧化铝陶瓷条，板簧，板簧紧固螺钉，横向紧 定螺钉，纵向紧定螺钉，轨道紧固螺钉，横向弹簧和纵向弹簧。其中滑块和氧化铝陶瓷条粘接在一起，共同构成电机的动子，安装在轨道上，可以沿着轨道做直线运动，轨道通过紧固螺钉安装在基座上。定子基体和压电单元构成电机的定子，安放在基座里，定子基体上的一个弧形结构作为驱动足，在其顶点处与动子(氧化铝陶瓷条)接触，定、转子间的预压力通过横向紧定螺钉及横向弹簧来进行调节，纵向紧定螺钉及纵向弹簧用来消除定子与基座间的纵向间隙，同时用来调节纵向的预紧力。板簧安装在基座的上侧，用来限制定子的多余自由度。

所述定子是整个电机的核心，由定子基体和压电陶瓷组成。定子基体是两个配重、两个矩形梁(或称为杆)及两个弧形结构的组合体。两个矩形梁在空间上共线，外侧端分别与配重连接，内侧端通过对称布置的两个弧形结构连接，形成一个一体化的对称结构。压电陶瓷通过环氧树脂粘贴在矩形梁的侧面上。 

所述定子具有两个特定的振动模态。定子的一个振动模态在左右两个矩形梁部分呈现对称的1阶纵振模式，同时挤压或拉伸弧形结构，迫使弧形结构的顶点部位产生垂直方向的往复运动；定子的另一个振动模态在两个矩形梁部分呈现反对称的1阶纵振模式，使得弧形结构顶点部位产生水平方向的往复运动。上述两个振动模态中，配重处的振幅都远小于矩形梁及弧形结构的振幅。上述两个振动模态叠加后，弧形结构顶点部分的垂直及水平两个方向上的往复运动可以合成一个椭圆运动。 

本发明提出的共振式直线超声电机在两路相位差为90°的同频正弦电压信号激励下工作，其特征在于：其中一路正弦电压信号施加在一个矩形梁两侧的压电陶瓷上，激励定子的一个工作模态；另一路相位差为90°的同频正弦信号施加在另一个矩形梁两侧的压电陶瓷上，激励定子的另一个工作模态。在上述两路电压信号激励下，定子的两个振动模态将同时得到激发，弧形结构顶点部位将合成一个椭圆运动。当其于动子接触时，可间歇式地推动动子输出直线运动。当交换激励信号后，椭圆运动的方向将反向，输出直线运动的方向也随之改变。 

本发明提出的共振式直线超声电机，采用了两个梁的1阶对称及反对称振动模式作为定子的基本工作模态，通过弧形结构的转换，最终在弧形结构的顶点部位叠加出椭圆运动。两块配重的主要作用：(1)使两个梁产生对称及反对称的振型；(2)扩大矩形梁与结构连接处的振幅，从而扩大弧形结构顶点部位的位移，提高电机的最大输出速度及输出力。电机结构简单紧凑，易于微、小型化，具有一定推广价值。 

附图说明：

图1是本发明提出的共振式直线超声电机的外部结构示意图。图中标号及符号名称：1-定子基体，2-压电单元，3-基座，4-滑块，5-轨道，6-氧化铝陶瓷条，7-板簧，8-板簧紧固螺钉，9-横向紧定螺钉，10-纵向紧定螺钉，11-轨道紧固螺钉。