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CN113595437B - 菱形贴片式双足直线超声电机及其定子 - Google Patents

菱形贴片式双足直线超声电机及其定子 Download PDF

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Abstract

本发明公开了菱形贴片式双足直线超声电机及其定子，定子包括对称杆和压电陶瓷片；该对称杆包括菱形中空杆，该菱形中空杆具有菱形柱，该菱形柱中心设有中心圆柱孔，该菱形柱具有两对角面，该菱形柱棱线设有驱动足；该菱形柱两侧各固设有根部，该根部末端固设有端部杆，该两根部都设有端部圆柱孔；该两对压电陶瓷片分别连接两端部杆，每一对的两片压电陶瓷片分别帖设在端部杆之两侧壁，每对压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片极化方向相反；上述定子相对第一对角面、第二对角面都轴向对称布置。它具有如下优点：输出效率高、工作模态稳定、驱动力大，结构简单、控制性能好、成本低。

Description

菱形贴片式双足直线超声电机及其定子
技术领域
本发明涉及超声电机技术领域，尤其涉及一种菱形双纵振贴片式激励双足直超声电机及其定子。
背景技术
直线超声电机是利用压电材料的逆压电效应来激发弹性体的微幅振动，通过定子与动子之间的摩擦作用将动能传递给动子从而输出运动。直线超声电机具有控制性能好，可步进、伺服工作，结构简单、低速大扭矩及响应快等优点，应用前景广泛。
现有直线超声电机中，定子结构根据压电陶瓷与弹性体的装配方式有贴片结构和夹心式结构，其中贴片结构定子具有加工装配简单，易于实现微型化的特点。现有贴片式结构定子，如公开号为CN103746598A，发明创造名称为贴片式纵振复合双足压电超声电机振子，它利用一个水平梁和两个竖直梁的纵向振动复合实现双足直线致动，它虽然解决了现有夹心式纵振复合双足直线超声电机振子的加工装配复杂的问题，但是其上下非对称的结构特点使压电陶瓷片在激励模态下易出现畸变，无法保证电机持续稳定工作。
发明内容
本发明提供了菱形贴片式双足直线超声电机及其定子，其克服了背景技术中直线超声电机所存在的不足。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之一是：菱形贴片式双足直线超声电机，包括定子和连接定子的夹持装置；该定子包括一根对称杆和两对压电陶瓷片；该对称杆包括菱形中空杆和两端部杆，该菱形中空杆具有菱形柱，该菱形柱中心设有沿中心贯穿布置的中心圆柱孔，该菱形柱具有第一对角面和第二对角面，该菱形柱之对称位于第二对角面两侧之棱线都设有驱动足；该菱形柱两侧各固设有一根部，且两根部分别位于第一对角面两侧，该根部末端固设有上述的端部杆，该两根部都设有平行中心圆柱孔且贯穿布置的端部圆柱孔；该两对压电陶瓷片分别连接两端部杆，每一对的两片压电陶瓷片分别粘设在端部杆之分别位于第二对角面之两侧的两侧壁，每对压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片极化方向相反；上述定子相对第一对角面、第二对角面都轴向对称布置。
一实施例之中：该定子的对称杆和驱动足采用一整块金属材料加工制成。
一实施例之中：该第一对角面沿左右向布置，该第二对角面沿上下向布置，该中心圆柱孔、端部圆柱孔都前后贯穿设置。
一实施例之中：该端部圆柱孔轴线位于第二对角面上。
一实施例之中：该驱动足的横截面为大小不变的圆形或者矩形。
一实施例之中：该中心圆柱孔直径大于端部圆柱孔直径。
一实施例之中：该两端部杆分别为第一端部杆和第二端部杆；第一端部杆上的一对片压电陶瓷片施加正弦电压，且压电陶瓷片之远离对称杆一侧极化方向为“+”，贴近对称杆一侧极化方向为“-”；第二端部杆上的一对压电陶瓷片施加同频相位差为π/2的余弦电压，且每片压电陶瓷片的极化方向与第一端部杆每片压电陶瓷片的极化方向相同；该定子所被激发出的两个纵振模态叠加，使定子与动子接触面质点做椭圆运动，从而推动动子运动。
本发明解决其技术问题的所采用的技术方案之二是：菱形贴片式双足直线超声电机定子，包括一根对称杆和两对压电陶瓷片；该对称杆包括菱形中空杆和两端部杆，该菱形中空杆具有菱形柱，该菱形柱中心设有沿中心贯穿布置的中心圆柱孔，该菱形柱具有第一对角面和第二对角面，该菱形柱之对称位于第二对角面两侧之棱线都设有驱动足；该菱形柱两侧各固设有一根部，且两根部分别位于第一对角面两侧，该根部末端固设有上述的端部杆，该两根部都设有平行中心圆柱孔且贯穿布置的端部圆柱孔；该两对压电陶瓷片分别连接两端部杆，每一对的两片压电陶瓷片分别粘设在端部杆之分别位于第二对角面之两侧的两侧壁，每对压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片极化方向相反；上述定子相对第一对角面、第二对角面都轴向对称布置。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
定子相对第一对角面、第二对角面都轴向对称布置，对称杆包括菱形中空杆和两端部杆，菱形中空杆具有菱形柱，菱形柱之棱线设有驱动足，菱形柱中心设有中心圆柱孔，根部设有端部圆柱孔，每一对的两片压电陶瓷片分别粘设在端部杆两侧壁，每对压电陶瓷片均沿厚度方向极化，每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片极化方向相反，因此能产生如下技术效果：1、超声马达输出效率高、工作模态稳定、驱动力大，结构简单、控制性能好、成本低；2、采用贴片式方式，装配结构简单，纵向尺寸小，可设计得短、小、轻、薄，适合直线超声电机微型化发展，尤其适用于小型电机，激励频率较低，能更好达到工作条件；3、菱形棱边驱动足可精准驱动，针对范围更精确，细致到点，效率更高，工作定位更精准，出力密度大；4、通过利用两个纵振超声振子连接后同时激励双驱动足的设计，充分利用振动能量，对称杆严格的对称结构避免了因为非对称装夹引起的工作模态畸变。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
图1是本具体实施方式的定子的结构示意图。
图2是本具体实施方式的定子在频率30.984kHz的模态分析图。
图3是本具体实施方式的定子在频率32.513kHz的模态分析图。
具体实施方式
请查阅图1，菱形双纵振贴片式激励双足直线超声电机，包括定子和连接定子的夹持装置，该夹持装置可参照现有技术。
该定子包括一根由金属材料制成的对称杆和两对压电陶瓷片31和32，该对称杆包括菱形中空杆1和两端部杆2。
该菱形中空杆1具有菱形柱，该菱形柱具有第一对角面和第二对角面，该第一对角面沿上下向布置，该第二对角面沿左右向布置，该菱形柱左右两侧各固设有一根部，该根部末端固设有上述的端部杆2。该菱形柱中心设有沿前后贯穿布置的中心圆柱孔11，该两根部都设有沿前后贯穿布置的端部圆柱孔12，该端部圆柱孔12轴线位于第二对角面上。该菱形柱上下棱线都设驱动足13，该驱动足13呈狭长矩阵结构，且，该驱动足13截面呈矩形或圆形，以使驱动足11与夹持装置的导轨平面充分接触，提高直线超声电机的工作稳定性。该定子相对第一对角面、第二对角面都轴向对称布置。
该每对压电陶瓷片31和32都包括两片压电陶瓷片，该两对压电陶瓷片31和32分别连接两端部杆2，每一对的两片压电陶瓷片分别粘设在端部杆2上下面，其中每对压电陶瓷片31、32均沿厚度方向极化，如图1中箭头所示，且每对压电陶瓷片31、32的两片压电陶瓷片极化方向相反，如上面陶瓷片上正下负，则下面陶瓷片上负下正。该对压电陶瓷片粘设处为该对称杆之应变最大处。其中，可通过胶水直接将压电陶瓷片粘贴在端部杆2表面。
本具体实施方式之中，该定子的对称杆和驱动足采用一整块金属材料加工制成，以减少能量损失，且结构简单，易加工。
本具体实施方式之中，用ANSYS(ANSYS是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析软件)进行的模态分析如图2和图3所示，从图2和图3可观察到电机定子的上下及左右运动，改变定子两个工作模态的相位差为-π/2，即可使定子左右运动。根据模态分析的频率30.984kHz，定子驱动足上下移动距离最大，如图2所示；根据模态分析的频率为32.513kHz，定子驱动足左右移动距离最大，如图3所示。因驱动足在上下、左右运动的最大位置时的工作频率接近，故通过叠加这两种纵振状态，能使驱动足产生椭圆运动。
本具体实施方式的菱形贴片式双足直线超声电机的激励方式如图1所示，对位于左端端部杆2之一对的两片压电陶瓷片31施加正弦电压，激励左端端部杆的纵振模态，且陶瓷片之远离对称杆一侧极化方向为“+”，贴近对称杆一侧极化方向为“-”，极化方向如图1箭头所示；对位于右端端部杆之一对的两片压电陶瓷片32施加同频相位差为π/2的余弦电压，激发右端端部杆的纵振模态，且每片压电陶瓷片的极化方向与左端每片压电陶瓷片的极化方向相同。该定子所被激发出的两个纵振模态叠加，使定子与动子接触面质点做椭圆运动，从而推动动子运动。而且，通过调整两相激励信号的相位差为-90°，能实现反向驱动。
本具体实施方式的菱形贴片式双足直线超声电机能产生如下技术效果：一、采用贴片式方式及菱形中空结构相配合，1、采用贴片式方式，一方面，直线超声电机的装配结构简单，纵向尺寸小，可设计得短、小、轻、薄，适合直线超声电机微型化发展，尤其适用于小型电机；另一方面，激励频率较低，能更好达到工作条件；2、菱形棱边驱动足可精准驱动，一方面，针对范围更精确，细致到点，效率更高；另一方面，菱形工作定位更精准，出力密度大。二、对称杆中部的菱形及中空结构可提高驱动足部位的振幅和振速，使电机性能有大幅度提高。三、压电陶瓷片具有用于激励弹性体的纵振模态和弯振模态，直线超声电机利用结构纵振模态，故具有较高的推力和效率。四、通过利用两个纵振超声振子连接后同时激励双驱动足的设计，充分利用振动能量，对称杆严格的对称结构避免了因为非对称装夹引起的工作模态畸变。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (6)

1.菱形贴片式双足直线超声电机，包括定子和连接定子的夹持装置，其特征在于：该定子包括一根对称杆和两对压电陶瓷片；该对称杆包括菱形中空杆和两端部杆，该菱形中空杆具有菱形柱，该菱形柱中心设有沿中心贯穿布置的中心圆柱孔，该菱形柱具有第一对角面和第二对角面，该菱形柱之对称位于第二对角面两侧之棱线都设有驱动足；该菱形柱两侧各固设有一根部，且两根部分别位于第一对角面两侧，该根部末端固设有上述的端部杆，该两根部都设有平行中心圆柱孔且贯穿布置的端部圆柱孔；该两对压电陶瓷片分别连接两端部杆，每一对的两片压电陶瓷片分别粘设在端部杆之分别位于第二对角面之两侧的两侧壁，每对压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片极化方向相反；上述定子相对第一对角面、第二对角面都轴向对称布置；该定子的对称杆和驱动足采用一整块金属材料加工制成；该第一对角面沿上下向布置，该第二对角面沿左右向布置，该中心圆柱孔、端部圆柱孔都前后贯穿设置。
2.根据权利要求1所述的菱形贴片式双足直线超声电机，其特征在于：该端部圆柱孔轴线位于第二对角面上。
3.根据权利要求1所述的菱形贴片式双足直线超声电机，其特征在于：该驱动足的横截面为大小不变的圆形或者矩形。
4.根据权利要求1所述的菱形贴片式双足直线超声电机，其特征在于：该中心圆柱孔直径大于端部圆柱孔直径。
5.根据权利要求1所述的菱形贴片式双足直线超声电机，其特征在于：该两端部杆分别为第一端部杆和第二端部杆；
第一端部杆上的一对片压电陶瓷片施加正弦电压，且压电陶瓷片之远离对称杆一侧极化方向为“+”，贴近对称杆一侧极化方向为“-”；
第二端部杆上的一对压电陶瓷片施加同频相位差为π/2的余弦电压，且每片压电陶瓷片的极化方向与第一端部杆每片压电陶瓷片的极化方向相同；
该定子所被激发出的两个纵振模态叠加，使定子与动子接触面质点做椭圆运动，从而推动动子运动。
6.菱形贴片式双足直线超声电机定子，其特征在于：包括一根对称杆和两对压电陶瓷片；该对称杆包括菱形中空杆和两端部杆，该菱形中空杆具有菱形柱，该菱形柱中心设有沿中心贯穿布置的中心圆柱孔，该菱形柱具有第一对角面和第二对角面，该菱形柱之对称位于第二对角面两侧之棱线都设有驱动足；该菱形柱两侧各固设有一根部，且两根部分别位于第一对角面两侧，该根部末端固设有上述的端部杆，该两根部都设有平行中心圆柱孔且贯穿布置的端部圆柱孔；该两对压电陶瓷片分别连接两端部杆，每一对的两片压电陶瓷片分别粘设在端部杆之分别位于第二对角面之两侧的两侧壁，每对压电陶瓷片均沿厚度方向极化，且每对压电陶瓷片的两片压电陶瓷片极化方向相反；上述定子相对第一对角面、第二对角面都轴向对称布置；该定子的对称杆和驱动足采用一整块金属材料加工制成。
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