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

摘要

一种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，属超声电机类。该电机由定子和一直线导轨组成。所述导轨由预压力压在定子驱动足上。所述的定子整体呈近似塔形，包括两个不等长度且具有夹角的压电振子，每个压电振子依次包括后端盖、压电陶瓷和电极片、前端盖；前端盖和后端盖通过压紧螺栓压紧固定；两个压电振子的前端盖上端部通过截面积突然变小的柔性铰链联为一体形成驱动足。定子设计有两个非对称工作模态；当激发其中任意一个非对称工作模态时，定子驱动足表面质点的运动轨迹是一条斜直线，且斜直线的倾斜方向随工作模态的改变而改变，从而推动导轨正反向运动。该超声电机推力大、驱动频带宽、工作可靠。

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。

本发明的非对称结构近似塔形超声电机用的两个非对称振动模态，其特征在于，两个非 对称振动模态分别为第一非对称振动模态和第二非对称振动模态，其中第一非对称振动模态 的共振频率为ω₁，第二非对称振动模态的共振频率为ω₂，ω₁＜ω₂。第一非对称振动模态的振 型特点是：长度为L1的第一压电振子为局部纵弯复合振动，长度为L2的第二压电振子为局 部弯振。第二非对称振动模态的振型特点是：长度为L1的第一压电振子为局部弯振，长度为 L2的第二压电振子为局部纵弯复合振动。

本发明的非对称结构近似塔形超声电机的非对称模态的电激励方式，其特征在于：设导 轨向第二压电振子的运动方向为正方向，导轨向第一压电振子的运动方向为反方向；当第一 压电振子激励信号和第二压电振子激励信号输入相同的激励信号E₁＝Vsin(ωt)，并且激励频 率ω位于第一非对称振动模态的共振频率ω₁附近，将激发定子的第一非对称振动模态，使得 驱动足端面质点运动轨迹为向正方向倾斜的往复直线运动，从而推动导轨沿正向运动；当第 一压电振子激励信号和第二压电振子激励信号输入相同的激励信号E₂＝Vsin(ωt)，并且激励 频率ω位于第二非对称振动模态的共振频率ω₂附近，将激发定子的第二非对称振动模态，使 得驱动足端面质点运动轨迹为向反方向倾斜的往复直线运动，从而推动导轨沿反向运动。

和背景技术相比，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的 创新之处在于：

1.与Kurosawa等在《Transducer for High Speed and Large Thrust Ultrasonic Linear Motor Using  Two Sandwich-Type Vibrators》一文提出的对称结构的单驱动足V形大推力直线型超声电机相 比，Kurosawa等提出的对称结构的单驱动足V形大推力直线型超声电机利用两个正交且共振 频率相近的对称-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。而非对称结构近似塔形超声电机利用两个共振频率相差较大的单 模态进行工作，使定子驱动足与导轨接触面上驱动足的质点上产生相对于导轨的往复的斜直 线运动，推动动子正反向直线运动。

2.与李玉宝等在《高速大推力直线型超声电机的设计与实验研究》一文提出的双驱动足蝶形 大推力直线型超声电机相比，李玉宝等提出的对称结构的双驱动足蝶形大推力直线型超声电 机利用两个正交且共振频率相近的对称-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。而非对称结构近似塔形超声电机利用两个 共振频率相差较大的单模态进行工作，使定子驱动足与导轨接触面上驱动足的质点上产生相 对于导轨的往复的斜直线运动，推动动子正反向直线运动。

3.与钱孝华等在《双向驻波型直线超声波电动机》提出的单一模态驱动的矩形板式直线型超 声电机相比，单一模态驱动的矩形板式直线型超声电机的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；为 了兼顾正反向运动，其驱动足的位置不在振幅最大处，振动能利用率不高。而非对称结构近 似塔形超声电机的夹持位置放置在工作模态节线附近，这对工作模态的影响小并使能量损失 减小；电机工作时全部压电片参与工作，有利于提高电机的机械输出性能；同时其驱动足的 位置在工作模态振幅最大处，振动能利用率高。

4.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，其最大的创新点在于： (1)结构创新。非对称结构近似塔形超声电机定子的第一压电振子和第二压电振子的长度不 相等，这种非对称结构使得定子的工作模态由对称结构具有的共振频率相近的对称-反对称 振动模态(图2)异化为两个共振频率相差较大的非对称工作模态(图3)，并进一步使得电 机适于单模态驱动；(2)工作模态创新。非对称结构近似塔形超声电机定子设计有两个不同 共振频率的非对称工作模态，使得定子以其中任意一个模态工作时，定子驱动足表面质点的 运动轨迹是一条斜直线，并且斜直线的倾斜方向随工作模态的改变而改变，从而推动导轨正 反向运动。

附图说明：

图1.非对称结构近似塔形超声电机定子结构示意图；

图2.对称结构V形直线超声电机定子工作模态示意图；

图3.非对称结构近似塔形超声电机定子工作模态示意图；

图4.非对称结构近似塔形超声电机定子压电陶瓷的极化布置及电激励方式示意图；

图5.图6.非对称结构近似塔形超声电机工作原理示意图；

图7.非对称结构近似塔形超声电机第二个实施例(U型结构及压电陶瓷螺栓紧固式)的 结构示意图；

图8.非对称结构近似塔形超声电机第二个实施例(U型结构及压电陶瓷螺栓紧固式)的 压电陶瓷的极化布置及电激励方式示意图；

图9.非对称结构近似塔形超声电机第三个实施例(V型结构及压电陶瓷粘贴式)的结构 示意图；

图10.非对称结构近似塔形超声电机第三个实施例(V型结构及压电陶瓷粘贴式)的压电 陶瓷的极化布置及电激励方式示意图；

图11.非对称结构近似塔形超声电机第四个实施例(U型结构及压电陶瓷粘贴式)的结构 示意图；

图12.非对称结构近似塔形超声电机第四个实施例(U型结构及压电陶瓷粘贴式)的压电 陶瓷的极化布置及电激励方式示意图；

图中标号名称：1第一压电振子；2第一后端盖；3第一压紧螺栓；4压电陶瓷；5电极 片；6第二压电振子；7第二后端盖；8第二压紧螺栓；9前端盖；10柔性铰链；11驱动 足；12直线导轨；13对称结构定子的对称振动模态振型；14对称结构定子的反对称振动 模态振型；15非对称结构定子的第一非对称振动模态振型；16非对称结构定子的第二非对 称振动模态振型；17压电陶瓷极化方向；18接地；19第一压电振子激励信号；20第二 压电振子激励信号；21非对称结构定子工作在第一非对称振动模态下驱动足端面质点运动 轨迹；22非对称结构定子工作在第一非对称振动模态下导轨运动方向；23非对称结构定 子工作在第二非对称振动模态下驱动足端面质点运动轨迹；24非对称结构定子工作在第二 非对称振动模态下导轨运动方向；25定子金属弹性体；26粘贴在定子金属弹性体上的压 电陶瓷片。

具体实施方式：

一种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如图1所示，由定子和动 子构成，其中动子为一直线导轨12。其特点是：在预压力的作用下，导轨12压在定子驱动 足11上。定子包括长度为L1的第一压电振子1和长度为L2的第二压电振子6，其中L1＞L2； 第一压电振子1依次包括第一后端盖2、压电陶瓷4和电极片5、前端盖9，前端盖9和第一 后端盖2通过第一压紧螺栓3压紧固定；第二压电振子6依次包括第二后端盖7、压电陶瓷4 和电极片5、前端盖9，前端盖9和第二后端盖7通过第二压紧螺栓8压紧固定；其中压电陶 瓷4置于前端盖9和第一后端盖2或第二后端盖7之间，电极片5置于每两片压电陶瓷4之 间；两个压电振子的前端盖上端部通过截面积突然变小的柔性铰链10联为一体形成驱动足 11；上述柔性铰链10通过在定子驱动足11附近加工3个孔来实现；上述第一压电振子1和 第二压电振子6具有夹角，整体为近似塔形的V形或U形结构。

一种非对称结构近似塔形超声电机定子的两个非对称工作模态如图3所示。当非对称结 构近似塔形超声电机定子的几何尺寸确定时，可以通过有限元软件ADINA计算出两个非对 称工作模态的共振频率和模态振型。图3(a)所示的非对称结构定子的第一非对称振动模态15 的共振频率为ω₁，图3(b)所示的非对称结构定子的第二非对称振动模态16的共振频率为ω₂， ω₁＜ω₂。第一非对称振动模态15的振型特点是：长度为L1的第一压电振子(1)为局部纵 弯复合振动，长度为L2的第二压电振子(6)为局部弯振，使得驱动足11端面质点的运动轨 迹为向第二压电振子(6)方向倾斜的往复直线运动；第二非对称振动模态16的振型特点是： 长度为L1的第一压电振子(1)为局部弯振，长度为L2的第二压电振子(6)为局部纵弯复 合振动，使得驱动足11端面质点的运动轨迹为向第一压电振子(1)方向倾斜的往复直线运 动。

一种非对称结构近似塔形超声电机定子压电陶瓷的极化布置及电激励方式如图4所示。 定子有四组共八片压电陶瓷，位于前端盖9和第一后端盖2或第二后端盖7之间，每组包含 一对极化方向相反的压电陶瓷。箭头方向17为压电陶瓷的极化方向，压电陶瓷沿厚度方向极 化，利用逆压电d₃₃效应激发定子的振动。每组压电陶瓷的中间安放电极片，用于外接第一压 电振子激励信号19或第二压电振子激励信号20；每组压电陶瓷的两侧安放电极片，用于外 接信号地18。当第一压电振子激励信号19和第二压电振子激励信号20输入相同的激励信号 E₁＝Vsin(ωt)，并且激励频率ω位于第一非对称振动模态15的共振频率ω₁附近，将激发定 子的第一非对称振动模态15；当第一压电振子激励信号19和第二压电振子激励信号20输入 相同的激励信号E₂＝Vsin(ωt)，并且激励频率ω位于第二非对称振动模态16的共振频率ω₂附近，将激发定子的第二非对称振动模态16。

一种非对称结构及非对称振动模态的近似塔形直线超声电机的工作原理如图5和图6所 示。设导轨向第二压电振子(6)的运动方向为正方向，导轨向第一压电振子(1)的运动方 向为反方向；当定子工作于第一非对称振动模态15，使得驱动足端面质点运动轨迹21为向 正方向倾斜的往复直线运动，从而推动导轨沿正向22运动；当定子工作于第二非对称振动模 态16，使得驱动足端面质点运动轨迹23为向反方向倾斜的往复直线运动，从而推动导轨沿 反向24运动。

结构设计原则：

1.定子的第一压电振子1和第一压电振子6的长度不等。第一压电振子1的长度为L1，第 一压电振子6的长度为L2，其中L1＞L2；

2.柔性铰链10最薄处的尺寸大小要合适。柔性铰链10最薄处的尺寸大小直接影响定子的纵 振振幅和强度。因此，柔性铰链10最薄处的尺寸大小要兼顾定子纵振振幅和强度的需要。

3.使压电陶瓷4置于振动节面的前部，这样的布置可以使振动能量最大限度地向驱动足7辐 射。