專利名稱：雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)及電激勵(lì)方式的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)及電激勵(lì)方式，屬超聲電機(jī)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)的新型動(dòng)力輸出裝置。其中， 直線運(yùn)動(dòng)超聲電機(jī)屬于超聲電機(jī)的一種。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有低速大力矩， 瞬態(tài)相應(yīng)快，定位精度高，控制特性好，不產(chǎn)生磁場(chǎng)也不受磁場(chǎng)影響等優(yōu)點(diǎn)，在精密驅(qū)動(dòng)，醫(yī) 療器械，航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有近似塔形的超聲電機(jī)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，趙淳生等發(fā)表的申請(qǐng)?zhí)枮?200710134000的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布說明書《二自由度超聲電機(jī)》，該專利申請(qǐng)公布說明 書提出了一種二自由度超聲電機(jī)，該電機(jī)定子為具有正交對(duì)稱結(jié)構(gòu)的近似塔形的拱形振子 和八塊單向極化的壓電陶瓷片組成，近似塔形的拱形振子含有四個(gè)矩形柱腿，八塊壓電陶 瓷片分別粘貼在拱形振子的四個(gè)矩形柱腿的外側(cè)面上。該電機(jī)利用正交的含局部彎振的對(duì) 稱_反對(duì)稱模態(tài)進(jìn)行工作，當(dāng)在拱形振子左右對(duì)稱的矩形柱側(cè)面上的四塊壓電陶瓷片上輸 入兩相相位差為n/2的同頻正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，會(huì)在yoz平面內(nèi)激發(fā)出對(duì)稱-反對(duì)稱模態(tài)， 使拱形振子驅(qū)動(dòng)頭上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子沿y向運(yùn)動(dòng)。同樣，當(dāng)在拱形振子前 后對(duì)稱的矩形柱側(cè)面上的四塊壓電陶瓷片上輸入兩相相位差為n/2的同頻正弦驅(qū)動(dòng)信號(hào) 后，會(huì)在xoz平面內(nèi)激發(fā)出對(duì)稱_反對(duì)稱模態(tài)，使拱形振子驅(qū)動(dòng)頭上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)， 驅(qū)動(dòng)動(dòng)子沿x向運(yùn)動(dòng)。因此，該電機(jī)采用單個(gè)振子作為動(dòng)子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)二個(gè)方向的 正、反向運(yùn)動(dòng)，使其結(jié)構(gòu)緊湊、易于小型化。 上述電機(jī)的不足之處在于當(dāng)該電機(jī)被用于驅(qū)動(dòng)動(dòng)子作單自由度的直線運(yùn)動(dòng)時(shí)， 僅激發(fā)出yoz平面內(nèi)的對(duì)稱-反對(duì)稱模態(tài)或yoz平面內(nèi)的對(duì)稱-反對(duì)稱模態(tài)即可達(dá)到目 的。因此，含有四個(gè)矩形柱近似塔形的拱形振子可以簡(jiǎn)化為含有兩個(gè)矩形柱的塔形振子，使 電機(jī)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單。 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有斜軌形直線超聲電機(jī)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，指田年生在《日本應(yīng)用物理》 (1982年第51巻第6期第713-720頁)發(fā)表的《超音波驅(qū)動(dòng)壬_夕_ O試作口原理O理論 扭J:"實(shí)驗(yàn)的檢討》，該文對(duì)一種振動(dòng)片斜軌形直線超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析， 該電機(jī)的振動(dòng)片頂端與導(dǎo)軌面接觸，且相對(duì)于導(dǎo)軌面法線有一傾角9 ，表現(xiàn)為導(dǎo)軌傾斜了 9度。通過單相電信號(hào)直接激勵(lì)出電機(jī)定子的縱振，并間接通過振動(dòng)片頂端與導(dǎo)軌面的周 期接觸力激勵(lì)出振動(dòng)片的彎振，從而在振動(dòng)片/導(dǎo)軌接觸面上振動(dòng)片的質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生橢圓運(yùn) 動(dòng)，推動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。其不足在于該電機(jī)只能單向運(yùn)動(dòng)，不能反向。檢索中又發(fā)現(xiàn)，Elliptec 公司在公司網(wǎng)頁http:〃www. elliptec. com對(duì)其公司產(chǎn)品X15G型Elliptec斜軌形電機(jī)的 運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)描述，該電機(jī)的驅(qū)動(dòng)足端部與導(dǎo)軌面接觸，且相對(duì)于導(dǎo)軌面法線有一
傾角e，表現(xiàn)為導(dǎo)軌傾斜了 e度。通過單相直接激勵(lì)出電機(jī)定子的一個(gè)工作模態(tài)，并間接 通過定子的驅(qū)動(dòng)足端部與導(dǎo)軌面的周期接觸力激勵(lì)出另一個(gè)正交工作模態(tài)，使其驅(qū)動(dòng)足端
部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。由于X15G型Elliptec斜軌形電機(jī)可通過
3單相電信號(hào)直接激勵(lì)出電機(jī)定子的兩個(gè)不同頻的工作模態(tài)，使其驅(qū)動(dòng)足端部質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng) 方向相反的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，推動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)正反向運(yùn)動(dòng)。其不足在于該電機(jī)采用疊層壓電陶 瓷作為驅(qū)動(dòng)元件，價(jià)格較貴；該電機(jī)只能提供最大0. 5N的推動(dòng)力，限制了其使用范圍。
上述三個(gè)文獻(xiàn)中提出的直線型超聲電機(jī)都通過同時(shí)激發(fā)兩個(gè)正交的振動(dòng)模態(tài)，在 定子/導(dǎo)軌接觸面上定子的質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。這存在以下的不足
1.要同時(shí)激發(fā)兩個(gè)正交的振動(dòng)模態(tài)，要求兩個(gè)正交的工作模態(tài)的具有相近的共振
頻率- 2.由于理論計(jì)算和實(shí)際加工的誤差，加上電機(jī)工作時(shí)定轉(zhuǎn)子的接觸，溫度和負(fù)載 的變化，導(dǎo)致兩個(gè)正交工作模態(tài)的共振頻率有一定程度的差異； 3.在單一頻率的交變信號(hào)激勵(lì)下，由于兩個(gè)正交工作模態(tài)的共振頻率有一定程度 的差異，導(dǎo)致兩個(gè)正交工作模態(tài)不能同時(shí)被最大限度地激發(fā)出來，影響了電機(jī)的運(yùn)行效率 和性能，也使得電機(jī)可驅(qū)動(dòng)的頻域較窄。 解決此問題的辦法之一是采用單一模態(tài)驅(qū)動(dòng)的激勵(lì)方法。采用單一模態(tài)驅(qū)動(dòng)的激 勵(lì)方法具有以下優(yōu)點(diǎn)不存在復(fù)合模態(tài)超聲電機(jī)的頻率一致性問題；可驅(qū)動(dòng)的頻域較寬； 電機(jī)的運(yùn)行效率較高；工作時(shí)抗擾力強(qiáng)；可采用自振蕩驅(qū)動(dòng)電源，易于實(shí)現(xiàn)小型化和集成 化。 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有單一模態(tài)驅(qū)動(dòng)的超聲電機(jī)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，錢孝華等在《微特電機(jī)》 (2007年第8期第28-30頁)發(fā)表的《雙向駐波型直線超聲波電動(dòng)機(jī)》，該文提出了一種單 一模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形板式直線型超聲電機(jī)，該電機(jī)具有B3和B4兩個(gè)工作模態(tài)(同時(shí)只能有 一個(gè)模態(tài)參與工作)。當(dāng)B3模態(tài)工作時(shí)，定子/導(dǎo)軌接觸面上定子的質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生向右傾斜 的斜直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子正向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)B4模態(tài)工作時(shí)，定子/導(dǎo)軌接觸面上定子的質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生向 左傾斜的斜直線運(yùn)動(dòng)，動(dòng)子反向運(yùn)動(dòng)。其不足在于定子的夾持位置沒有放置在工作模態(tài)的 節(jié)點(diǎn)、節(jié)線或節(jié)面附近，這會(huì)導(dǎo)致定子的夾持對(duì)工作模態(tài)的影響并使能量損失增大；同時(shí)為 了兼顧正反向運(yùn)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)足的位置不在振幅最大處，振動(dòng)能利用率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)。目的 在于研制一種單模態(tài)驅(qū)動(dòng)、定子驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)軌跡為斜直線、可實(shí)現(xiàn) 正反向運(yùn)動(dòng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、推重比大、激振效率高、振動(dòng)能利用率高、響應(yīng)速度快的直線型超聲 電機(jī)。 本發(fā)明的雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)，由定子和導(dǎo)軌構(gòu)成。其特征在于所 述導(dǎo)軌在預(yù)壓力的作用下壓在定子驅(qū)動(dòng)足上，且導(dǎo)軌與定子中心線的夾角為(90+e)度，
其中e大于o;所述定子整體為塔形金屬體，由驅(qū)動(dòng)足以及與驅(qū)動(dòng)足相連的左矩形柱和右
矩形柱構(gòu)成，上述驅(qū)動(dòng)足與左矩形體及右矩形柱相連接處還具有柔性放大圓孔；上述壓電
陶瓷一共有六片、對(duì)應(yīng)地粘貼在上述左矩形柱和的右矩形柱的前、后、側(cè)共六個(gè)外表面，用
于激發(fā)定子x-z剖面二階彎曲振動(dòng)模態(tài)和y-z剖面對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)；上述導(dǎo)軌傾斜角e大
小的原則是模態(tài)振幅沿定子/導(dǎo)軌接觸界面的法向分量要大于定子/導(dǎo)軌接觸界面的
粗糙度Ra，即設(shè)定子的y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)的振幅為U，則此振動(dòng)模態(tài)垂直于導(dǎo)軌的法
向振動(dòng)分量為Uf = UCOS e ;設(shè)定子的X-Z 內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)的振幅為V，則此振動(dòng)模態(tài)垂直于導(dǎo)軌的法向振動(dòng)分量為Vf = Vsin 9 ;要使定子有效地驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，必須滿足以
下條件Ucose >Ra，Vsine 〉Ra;所以，導(dǎo)軌傾斜角e的選擇范圍arcsin(R乂V) < e < arccos (Ra/U)。 上述雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)的電激勵(lì)方式，其特征在于設(shè)沿斜導(dǎo)軌
向左上為正方向，沿斜導(dǎo)軌向右下為負(fù)方向；定子的兩個(gè)正交工作模態(tài)分別為y-z面內(nèi)對(duì)
稱振動(dòng)模態(tài)和x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)；其中y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)由分別貼在左矩
形柱側(cè)面和右矩形柱側(cè)兩的共兩塊壓電陶瓷片激發(fā)，當(dāng)定子以y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)振動(dòng)
時(shí)，左矩形柱和右矩形柱產(chǎn)生局部彎振，并帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生局部縱振；相對(duì)于導(dǎo)軌而言，定
子驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條往復(fù)運(yùn)動(dòng)的斜直線，傾斜角為(90-e)度，推動(dòng)壓在
驅(qū)動(dòng)足上的導(dǎo)軌產(chǎn)生正向運(yùn)動(dòng)。其中x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)由分別貼在左矩形柱和右 矩形柱前、后表面的共四塊壓電陶瓷片激發(fā)，當(dāng)定子以x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)振動(dòng)時(shí)， 驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生水平振動(dòng)；相對(duì)于導(dǎo)軌而言，定子驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條往復(fù)運(yùn)動(dòng) 的斜直線，傾斜角為(180-e)度，推動(dòng)壓在驅(qū)動(dòng)足上的導(dǎo)軌產(chǎn)生反向運(yùn)動(dòng)。
和背景技術(shù)相比，本發(fā)明的雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)的創(chuàng)新之處在于
1.與趙淳生等在申請(qǐng)?zhí)枮?00710134000的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)公布說明書《二自 由度超聲電機(jī)》提出的二自由度超聲電機(jī)相比，本發(fā)明具有以下創(chuàng)新 (a)結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新由二自由度超聲電機(jī)的含有四個(gè)矩形柱近似塔形的拱形振子簡(jiǎn) 化為塔形直線超聲電機(jī)的含有兩個(gè)矩形柱的塔形振子，使電機(jī)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，更利于實(shí)現(xiàn) 小型化； (b)工作模態(tài)的創(chuàng)新由二自由度超聲電機(jī)共面的對(duì)稱-反對(duì)稱復(fù)合工作模態(tài)變
為塔形直線超聲電機(jī)的含局部彎振的y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)和x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)
的復(fù)合工作模態(tài)。改變工作模態(tài)的原因經(jīng)有限元計(jì)算，塔形振子的共面的對(duì)稱工作模態(tài)和 反對(duì)稱工作模態(tài)的模態(tài)頻率差別較大，并且反對(duì)稱工作模態(tài)的振幅較小。而采用含局部彎
振的y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)和x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)的復(fù)合工作模態(tài)可以解決上述問題。 2.與指田年生在《超音波驅(qū)動(dòng)乇-夕-O試作口原理CO理論扭J: 實(shí)驗(yàn)的檢討》 一文提出的振動(dòng)片斜軌形直線超聲電機(jī)相比，指田年生提出的振動(dòng)片斜軌形直線超聲電機(jī) 只能推動(dòng)動(dòng)子正向運(yùn)動(dòng)，不能反向運(yùn)動(dòng)。雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)可以推動(dòng)動(dòng)子 實(shí)現(xiàn)正反向運(yùn)動(dòng)。 3.與Elliptec公司的X15G型Elliptec斜軌形電機(jī)相比，X15G型Elliptec斜軌 形電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過使定子驅(qū)動(dòng)足/導(dǎo)軌接觸面上驅(qū)動(dòng)足的質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)動(dòng) 子直線運(yùn)動(dòng)；該電機(jī)采用價(jià)格較貴疊層壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)元件。雙向單模態(tài)斜軌塔形直線 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過使定子驅(qū)動(dòng)足/導(dǎo)軌接觸面上驅(qū)動(dòng)足的質(zhì)點(diǎn)上產(chǎn)生相對(duì)于導(dǎo)軌的往 復(fù)的斜直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)動(dòng)子直線運(yùn)動(dòng)；該電機(jī)采用價(jià)格便宜的普通壓電陶瓷作為驅(qū)動(dòng)元件。
4.與錢孝華等在《雙向駐波型直線超聲波電動(dòng)機(jī)》提出的單一模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形板 式直線型超聲電機(jī)相比，單一模態(tài)驅(qū)動(dòng)的矩形板式直線型超聲電機(jī)的定子的夾持位置沒有 放置在工作模態(tài)的節(jié)點(diǎn)、節(jié)線或節(jié)面附近，這會(huì)導(dǎo)致定子的夾持對(duì)工作模態(tài)的影響并使能 量損失增大；同時(shí)為了兼顧正反向運(yùn)動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)足的位置不在振幅最大處，振動(dòng)能利用率不 高。雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)夾持位置放置在工作模態(tài)節(jié)線附近，這對(duì)工作模態(tài)的影響小并使能量損失減小；同時(shí)其驅(qū)動(dòng)足的位置在工作模態(tài)振幅最大處，振動(dòng)能利用率高。 5.本發(fā)明的雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)，其最大的創(chuàng)新點(diǎn)在于定子設(shè)計(jì) 有兩個(gè)正交工作模態(tài)，通過使導(dǎo)軌傾斜e度角，使得定子以兩個(gè)正交模態(tài)中的任意一個(gè)模 態(tài)工作時(shí)，定子驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于導(dǎo)軌是一條斜直線，并且斜直線的傾斜 方向隨工作模態(tài)的改變而改變，從而推動(dòng)導(dǎo)軌正反向運(yùn)動(dòng)。


圖1.是雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)定子結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖1-1為正視 圖，圖l-2為俯視圖。 圖2.雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖左為x-z方向示意
圖，圖右為y-z方向示意圖。 圖3.雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)壓電陶瓷極化布置示意圖。 圖4.圖5.雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)工作原理示意圖。 圖中標(biāo)號(hào)名稱1驅(qū)動(dòng)足；2柔性放大圓孔；3左矩形柱；4右矩形柱；5、6、7、S、9、
10壓電陶瓷；11塔形金屬體。12預(yù)壓力；13導(dǎo)軌；14、15、16X-Z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)節(jié)線；
17x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)；18y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)(局部彎振)模態(tài)；19、20、21、22y-z面 內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)(局部彎振)節(jié)線；23定子支撐位置；24導(dǎo)軌傾斜角9度。25壓電陶瓷極化 方向；26y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)(局部彎振)模態(tài)激勵(lì)信號(hào)；27x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)激勵(lì) 信號(hào)。28、29定子驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡；30定子驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡與導(dǎo)軌夾角 (90- 9 )度；31定子驅(qū)動(dòng)足端面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡與導(dǎo)軌夾角(180- e )度；32、33導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方 向。
具體實(shí)施例方式—種直線運(yùn)動(dòng)超聲電機(jī)如圖2所示，由定子和導(dǎo)軌構(gòu)成，其導(dǎo)軌具有傾斜角e度
24，被預(yù)壓力12壓在定子上，其定子由圖l所示。其特點(diǎn)定子是由帶有一個(gè)驅(qū)動(dòng)足1、一個(gè) 柔性放大圓孔2和兩個(gè)矩形柱3、4的塔形金屬體11構(gòu)成，塔形金屬體11的外表面對(duì)稱地 粘貼有六片壓電陶瓷5、6、7、8、9、10，用于激發(fā)塔形金屬體11的振動(dòng)。如圖3所示，其中，壓 電陶瓷6、7、9、10用于激發(fā)塔形定子在x-z剖面的二階彎曲振動(dòng)模態(tài)17 ;壓電陶瓷5、8用 于激發(fā)塔形定子在y-z剖面含局部彎振的對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)18。 在壓電陶瓷5、8上施加y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)激勵(lì)信號(hào)26， E工=Vsin("t)，可 激發(fā)如圖4所示的定子的對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)18，帶動(dòng)定子的驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生局部縱振；相對(duì)于導(dǎo)軌 而言，定子驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條往復(fù)運(yùn)動(dòng)的斜直線28，它與導(dǎo)軌的夾角30為 (90- e)度，推動(dòng)壓在驅(qū)動(dòng)足上的導(dǎo)軌沿左上方向32正向運(yùn)動(dòng)。 同理，在壓電陶瓷6、7、9、10上施加x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)激勵(lì)信號(hào)27，E2 = Vsin " t，可激發(fā)如圖5所示的定子的二階彎曲振動(dòng)模態(tài)17，帶動(dòng)定子的驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生切向振 動(dòng)；相對(duì)于導(dǎo)軌而言，定子驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條往復(fù)運(yùn)動(dòng)的斜直線29，它與 導(dǎo)軌的夾角31為(180-e)度，推動(dòng)壓在驅(qū)動(dòng)足上的導(dǎo)軌沿右下方向33反向運(yùn)動(dòng)。
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則
6
i.導(dǎo)軌傾斜角e的大小要合適。導(dǎo)軌傾斜角e的大小直接影響電機(jī)的可運(yùn)行 性。選擇導(dǎo)軌傾斜角e大小的原則是模態(tài)振幅沿定子/導(dǎo)軌接觸界面的法向分量要大于 定子/導(dǎo)軌接觸界面的粗糙度Ra。 設(shè)定子的y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)的振幅為U，則此振動(dòng)模態(tài)垂直于導(dǎo)軌的法向振
動(dòng)分量為<formula>formula see original document page 7</formula> 設(shè)定子的x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)的振幅為V，則此振動(dòng)模態(tài)垂直于導(dǎo)軌的法 向振動(dòng)分量為<formula>formula see original document page 7</formula>
要使定子有效地驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，必須滿足以下條件
Ucos 9 > Ra， Vsin 9 > Ra 所以，導(dǎo)軌傾斜角9的選擇范圍arcsin(R乂V) < e < arccos (Ra/U)。
2.柔性放大圓孔2的孔徑大小要合適。柔性放大圓孔2的孔徑大小直接影響定子 的縱振振幅和強(qiáng)度。因此，柔性放大圓孔2的孔徑大小要兼顧定子縱振振幅和強(qiáng)度的需要。
3.壓電陶瓷6、7、9、10用于激發(fā)定子在x-z剖面的二階彎曲振動(dòng)模態(tài)17，由于彎 振時(shí)，其波峰或波谷處應(yīng)變最大，應(yīng)盡量將壓電陶瓷6、7、9、 10分別粘貼于振動(dòng)模態(tài)17的波 谷和波峰附近，以提高激勵(lì)效率；同理，壓電陶瓷5、8用于激發(fā)定子在y-z剖面的對(duì)稱振動(dòng) (局部彎振)模態(tài)18，應(yīng)盡量將壓電陶瓷5、8分別粘貼于振動(dòng)模態(tài)18的局部彎振的波谷和 波峰附近，以提高激勵(lì)效率。 4.定子的x-z剖面二階彎曲振動(dòng)模態(tài)17具有3條節(jié)線14、 15、 16， y_z剖面對(duì)稱 振動(dòng)(局部彎振)模態(tài)18具有4條節(jié)線19、20、21、22。使節(jié)線16、 19、22具有相同的z坐 標(biāo)，并將定子支撐放在此z坐標(biāo)處，以減小支撐對(duì)工作模態(tài)的干擾。 5.上述左矩形柱3和右矩形柱4的前后面的厚度由塔形底部向塔形頂部逐步變 小，這樣的變截面結(jié)構(gòu)具有聚能的作用，使位于塔形頂部的驅(qū)動(dòng)足的振幅變大。
權(quán)利要求
一種雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)，包括定子、壓電陶瓷和導(dǎo)軌，其特征在于上述定子整體為塔形金屬體(11)，由驅(qū)動(dòng)足(1)以及與驅(qū)動(dòng)足(1)相連的左矩形柱(3)和右矩形柱(4)構(gòu)成，上述驅(qū)動(dòng)足(1)與左矩形體(3)及右矩形柱(4)相連接處還具有柔性放大圓孔(2)；上述壓電陶瓷一共有六片(5、6、7、8、9、10)、對(duì)應(yīng)地粘貼在上述左矩形柱(3)和的右矩形柱(4)的前、后、側(cè)共六個(gè)外表面，用于激發(fā)定子x-z剖面二階彎曲振動(dòng)模態(tài)(17)和y-z剖面對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)(18)；上述導(dǎo)軌(13)由預(yù)壓力(12)壓在定子驅(qū)動(dòng)足(1)上；上述導(dǎo)軌傾斜角為θ，導(dǎo)軌傾斜角θ(24)大小的原則是模態(tài)振幅沿定子/導(dǎo)軌接觸界面的法向分量要大于定子/導(dǎo)軌接觸界面的粗糙度Ra，即設(shè)定子的y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)的振幅為U，則此振動(dòng)模態(tài)垂直于導(dǎo)軌的法向振動(dòng)分量為Uf＝Ucosθ；設(shè)定子的x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)的振幅為V，則此振動(dòng)模態(tài)垂直于導(dǎo)軌的法向振動(dòng)分量為Vf＝Vsinθ；要使定子有效地驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，必須滿足以下條件Ucosθ＞Ra，Vsinθ＞Ra；所以，導(dǎo)軌傾斜角θ(24)的選擇范圍arcsin(Ra/V)＜θ＜arccos(Ra/U)。
2. —種如權(quán)利要求1所述的雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)的塔形定子，其特征在 于上述左矩形柱(3)和右矩形柱(4)的前后面的厚度由塔形底部向塔形頂部逐步變小。
3. —種如權(quán)利要求1所述的雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)的電激勵(lì)方式，其特征 在于設(shè)沿斜導(dǎo)軌向左上為正方向，沿斜導(dǎo)軌向右下為負(fù)方向；定子的兩個(gè)正交工作模態(tài)分別為y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)(18)和x-z面內(nèi)二階彎曲振 動(dòng)模態(tài)(17);其中y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)(18)由分別貼在左矩形柱(3)側(cè)面和右矩形柱(4)側(cè)兩的 共兩塊壓電陶瓷片(5、8)激發(fā)，當(dāng)定子以y-z面內(nèi)對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)(18)振動(dòng)時(shí)，左矩形柱(3) 和右矩形柱(4)產(chǎn)生局部彎振，并帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)足(1)產(chǎn)生局部縱振；相對(duì)于導(dǎo)軌而言，定子驅(qū) 動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條往復(fù)運(yùn)動(dòng)的斜直線(28)，它與導(dǎo)軌的夾角(30)為(90-e) 度，推動(dòng)壓在驅(qū)動(dòng)足上的導(dǎo)軌正向運(yùn)動(dòng)(32);其中x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)(17)由分別貼在左矩形柱(3)和右矩形柱(4)前、后 表面的共四塊壓電陶瓷片(6、7、9、10)激發(fā)，當(dāng)定子以x-z面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)模態(tài)(17)振 動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)足(1)產(chǎn)生水平振動(dòng)；相對(duì)于導(dǎo)軌而言，定子驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的斜直線(29)，它與導(dǎo)軌的夾角(31)為(180- e )度，推動(dòng)壓在驅(qū)動(dòng)足上的導(dǎo)軌反 向運(yùn)動(dòng)(33)。
全文摘要
一種雙向單模態(tài)斜軌塔形直線超聲電機(jī)及其電激勵(lì)方式，屬超聲電機(jī)類。該電機(jī)包括定子、壓電陶瓷及導(dǎo)軌。所述導(dǎo)軌由預(yù)壓力壓在定子驅(qū)動(dòng)足上，導(dǎo)軌傾斜θ度角。所述定子是由帶有一個(gè)驅(qū)動(dòng)足、一個(gè)柔性放大圓孔和兩個(gè)矩形柱的塔形金屬體構(gòu)成，塔形金屬體的外表面對(duì)稱地粘貼有六片壓電陶瓷，用于激發(fā)定子的兩個(gè)正交工作模態(tài)x-z剖面彎曲振動(dòng)模態(tài)和y-z剖面含局部彎振的對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)。當(dāng)用單相電壓信號(hào)激發(fā)定子的任意一個(gè)工作模態(tài)時(shí)，定子驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)于導(dǎo)軌是一條斜直線，且斜直線的傾斜方向隨工作模態(tài)的改變而改變，從而推動(dòng)導(dǎo)軌正反向運(yùn)動(dòng)。該超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、驅(qū)動(dòng)效率高、推重比大、工作可靠。
文檔編號(hào)H02N2/02GK101697460SQ200910185020
公開日2010年4月21日 申請(qǐng)日期2009年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月28日
發(fā)明者陳乾偉, 黃衛(wèi)清 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué);