[发明专利]一种高速谐振冲击式压电电机

说明书

本发明公开了一种高速谐振冲击式压电电机，包括定子、动子、第一振子驱动机构和第二振子驱动机构，定子固定在两个振子驱动机构的中间位置上作为输出端，在定子的表面形成准锯齿波振动，动子为交叉滚柱滑台，固定在一维微调平台上，动子的前侧通过摩擦界面与定子相互接触产生摩擦力形成粘滑效应，并由此驱动动子作定向运动。本发明通过跨频段激励实现高速和高分辨率兼顾的跨尺度输出，能有效提高冲击式压电电机的工作频率和输出速度，利于大功率输出，适合高速运动。

技术领域

本发明属于压电电机技术领域，更具体地说是涉及一种谐振冲击式压电电机。

背景技术

压电电机利用压电材料的逆压电效应，对其施加电压产生微形变实现电机运动，具有响应时间快，无电磁干扰等优点，广泛应用于机器人、航天和医疗等领域。目前多种类型的压电电机中主要有谐振式和准静态两大类。

谐振式压电电机主要指超声电机，是利用定子在超声频段内产生高频椭圆运动，通过摩擦耦合将定子椭圆运动转化为动子的连续直线或者旋转输出，进而实现电能向机械能的转化。因工作频率较高，超声电机速度相对较高，但摩擦损耗较大。准静态压电电机是利用非正弦电压驱动，通过对电压参数的控制或机械结构的设计实现动子连续直线或旋转输出。根据工作原理不同，准静态压电电机可分为尺蠖式和惯性冲击式。尺蠖式电机工作原理是通过压电驱动单元与夹紧单元的交替配合，将压电元件的单步微位移不断累积形成连续的位移输出。惯性冲击式压电电机的工作原理是利用定子与动子之间的静摩擦力和惯性力实现动子运动。准静态压电电机可以实现高分辨率大行程输出，因工作频率较低，准静态压电电机速度较低，大多低于20mm/s。比如：南京航空航天大学时运来等基于双向螺旋箝位原理提出的尺蠖式电机的最高速度为2.58mm/s；吉林大学的李建平等利用平行四边形柔性铰链结构实现的冲击式压电电机的速度仅为14.25mm/s。

传统的冲击式电机是工作在非谐振频率下，所用的大多数是软陶瓷，可以实现大位移，材料为PZT5的称为软陶瓷，材料为PZT4和PZT8的称为硬陶瓷，它们的主要区别在于机械品质因数不同，软陶瓷的机械品质因数远低于硬陶瓷的机械品质因数，不适合高速运动。

发明内容

本发明是为避免上述现有所述的冲击式压电电机运动速度较低的不足，提供一种谐振冲击式压电电机，基于多频率谐波合成原理对摩擦振子驱动源的多个模态频率进行精确结构设计，实现谐振冲击式压电电机，利用硬陶瓷驱动，大幅提高冲击式压电电机的输出速度。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明高速谐振冲击式压电电机的特点是包括定子、动子，以及两个振子驱动机构，所述两个振子驱动机构分别是第一振子驱动机构和第二振子驱动机构；

所述定子为摩擦振子，固定在两个振子驱动机构的中间位置上作为输出端，在所述定子的表面形成准锯齿波振动；

所述动子为交叉滚柱滑台，动子通过螺栓固定在一维微调平台上；动子的前侧通过摩擦界面与定子相互接触产生摩擦力形成粘滑效应，并由此驱动所述动子作定向运动；

所述第一振子驱动机构是在第一振子座上固定设置第一摩擦振子驱动源，所述第一摩擦振子驱动源由第一位移放大机构、第二位移放大机构和第一压电叠堆构成；所述第一压电叠堆通过初始预紧固定在第一位移放大机构中；

所述第二振子驱动机构是在第二振子座上固定设置第二摩擦振子驱动源，所述第二摩擦振子驱动源由第三位移放大机构、第四位移放大机构和第二压电叠堆构成；所述第二压电叠堆通过初始预紧固定在第三位移放大机构中；

所述第一压电叠堆和第二压电叠堆通过初始预紧工作在受压缩状态下，初始预紧的预紧力为200N-500N；

由所述第二位移放大机构、第四位移放大机构和定子共同构成弹簧质量阻尼系统，其中，第二位移放大机构和第四位移放大机构等效为弹簧，定子等效为质量块，调整弹簧刚度和质量用于实现定子和动子之间阻抗匹配的优化；