一種基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機的製作方法
2023-10-25 18:17:47 4
專利名稱：一種基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及涉及一種基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，屬於超聲電機技術領域。
背景技術：
直線超聲電機是20世紀80年代迅速發展起來的一種新型微特電機，它是利用壓電元件的逆壓電效應和彈性體的超聲振動，通過定子和動子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅振動轉換成動子的宏觀直線(旋轉)運動，直接推動負載。它具有結構緊湊、低速大扭矩、響應快、定位精度高和電磁兼容性等優點。在航空航天、武器裝備和精密驅動領域有著廣泛的應用前景。目前國內直線超聲電機的發展很快。在中國專利網上，有多項關於直線超聲電機的專利。
這其中，杆結構直線超聲電機備受關注，這是因為該電機的定子是由蘭傑文振子構成的。蘭傑文振子利用縱振，有明確的節點。它具有很高的能量傳輸效率，並有利於夾持。專利200810124426. 2提出基於連續變幅杆原理的K形直線超聲電機，該電機的定子有2個對稱的蘭傑文振子構成。專利201020621017. 6提出基於直線超聲電機的柔性夾持技術，它是通過柔性圓弧片段將所有壓電振子連接起來，並通過柔性圓弧片段將振子與帶有圓形通孔的固定端相連接，從而簡化了的夾持結構。上述電機的定子僅僅是有兩個蘭傑文振子構成，其定子的空間利用率低。本發明提出利用2η個對稱的蘭傑文振子構成電機的定子，並在空間呈現扇形結構。該電機能夠提高定子的空間利用率，增加定子的能量密度和輸出力。
發明內容
本發明針對上述問題的不足，提出一種空間利用率高，且能夠增加定子的能量密度和輸出力的基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機。本發明為解決上述技術問題提出的技術方案是一種基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，所述電機的定子由2η(η>1)個蘭傑文振子以一定的角度交叉組成扇形結構；所述蘭傑文振子包括振子基體和壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片設置于振子基體上；所述振子基體包括作為直杆的後端部和作為連續變截面杆的前端部，同時所述後端部與前端部的交界面為連續截面，所述前端部呈現由後向前漸縮的狀態，所述蘭傑文振子的前端部柔性鉸鏈為一體形成驅動足，而後端部呈扇形分開；所述蘭傑文振子後端部之間通過柔性圓弧片段相連接，外側的兩個蘭傑文振子後端部通過柔性圓弧片段與帶有圓形通孔的固定端相連接；所述同一邊的蘭傑文振子分為一組，利用相位差為π 2的兩同頻正弦信號同時激勵左右兩組蘭傑文振子。優選的所述蘭傑文振子包括振子基體和兩片壓電陶瓷片，所述兩片壓電陶瓷片沿振子基體後端部的內側與振子基體粘接在一起，所述壓電陶瓷片的正極朝外，負極指向振子基體表面。
優選的所述蘭傑文振子包括振子基體、四片壓電陶瓷片和兩片電極金屬片，每兩片壓電陶瓷片和一片電極金屬片組成一組，分別置于振子基體上的柔性夾持件的兩側，且每片電極金屬片夾在兩片壓電陶瓷片之間；所述蘭傑文振子前端部通過螺栓將其與電極金屬片、壓電陶瓷片、柔性夾持件和後端部裝配連接在一起構成前端蓋；所述壓電陶瓷片的正極與金屬片相連接，其負極與地相連接。優選的所述地相為蘭傑文振子的前端部、後端部和柔性夾持件。優選的所述2η個蘭傑文振子分為兩組，所述η個同側的蘭傑文振子為一組，形成定子的A相，而另η個同一側的蘭傑文振子為一組，形成定子的B相；所述A相接正弦信號，B相接餘弦信號。優選的所述蘭傑文振子連接面的面積遠小於其周圍的振子截面積，從而形成柔性鉸鏈。
優選的所述驅動足處加工有一個以上的孔。本發明的一種基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，相比現有技術，具有以下有益效果由於所述電機的定子由2η(η>1)個蘭傑文振子以一定的角度交叉組成扇形結構，且由於直線超聲電機主要有板結構和杆結構兩種形式。板結構直線超聲電機為扁平形式，結構簡單，在特定場合能發揮作用。杆結構直線超聲電機利用蘭傑文振子可以產生大的輸出力和高的輸出效率。重要是，蘭傑文振子有明確的縱振節點，有利於電機的加持和預壓力加載。因此本項專利結合這兩種直線超聲電機的特點，利用多個蘭傑文振子設計直線超聲電機。一方面該電機的主體結構為杆結構的蘭傑文振子，另一方面其外觀結構為板結構。所以該電機結構簡單、有明確的加持點和高的效率，並具有扁平的結構形式。同時本發明的結構可以保證(I)直杆和連續變截面杆在交接面處不存在突變截面(即有相同的聲阻抗)，對平面聲波不會產生反射波；(2)連續變截面杆採用由後向前漸縮的設計，使得它在每個截面上具有相同的聲阻抗；(3)連續變截面杆採用由後向前漸縮的設計，也使得蘭傑文振子頭部振動的振幅被放大；(4)定子通過驅動足和蘭傑文振子在連接面上連續收縮而成，也使得定子在驅動足處的彎矩減少，從而確保定子結構振動的對稱模態和反對稱模態的頻率一致性。因此，本發明有助於提高電機的速度、輸出力和運行效率。
圖I是夾芯式扇形直線超聲電機定子的示意 圖2是貼片式扇形直線超聲電機定子的示意 圖3是夾芯式扇形電機定子的極化以及信號加載示意 圖4是貼片式扇形電機定子的極化以及信號加載示意圖『
圖5是基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機工作模態的示意圖。其中，圖5 (a)是定子對稱工作模態的示意圖，圖5 (b)定子反對稱工作模態的示意圖。圖中標號名稱1.定子基體；2.壓電陶瓷片；3.振子基體；4.柔性圓弧片段；5.帶有圓形通孔的固定端；6.驅動足；7.前端部；8.後端部。
具體實施方式
附圖非限制性地公開了本發明一個優選實施例的結構示意圖，以下將結合附圖詳細地說明本發明的技術方案。實施例I
本實施例的一種基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機如圖2、4所不,本實施例直線超聲電機，由於其蘭傑文振子是由振子基體和壓電陶瓷片粘合而成，所以稱之為貼片式扇形電機，所述電機的定子由2η(η>1)個蘭傑文振子以一定的角度交叉組成扇形結構,考慮到設計簡便、容易加工等原則，本實施例設計時採用四個蘭傑文振子，所述蘭傑文振子以相同的角度隔開；所述蘭傑文振子包括振子基體和兩片壓電陶瓷片，所述振子基體包括作為直杆的後端部和作為連續變截面杆的前端部，同時所述後端部與前端部的交界面為連續截面，所述前端部呈現由後向前漸縮的狀態，所述兩片壓電陶瓷片沿振子基體後端部的內側與振子基體粘接在一起；所述振子基體的材料為65Mn，通過特種加工一次性線切割加工而成；所述蘭傑文振子的前端部柔性鉸鏈為一體形成驅動足，而後端部呈扇形分開，即驅動足和四個蘭傑文振子在連接面上連續收縮，其連接面的面積遠小於其周圍的振子截面積， 從而形成柔性鉸鏈，柔性鉸鏈是通過在靠近驅動足處加工5個孔來實現的；所述蘭傑文振子後端部之間通過柔性圓弧片段相連接，外側的兩個蘭傑文振子後端部通過柔性圓弧片段與帶有圓形通孔的固定端相連接，之後通過螺釘將定子與裝載裝置裝配在一起。所述2n個蘭傑文振子分為兩組，即所述η個同側的蘭傑文振子為一組，形成定子的A相，而另η個同一側的蘭傑文振子為一組，形成定子的B相，即同一邊的壓電振子分為一組；所述A相接正弦信號，B相接餘弦信號；利用相位差為冗/2的兩同頻正弦信號同時激勵左右兩組壓電振子，從而分別激發定子的兩個振動模態。這兩個振動模態的疊加使得驅動足表面的質點產生橢圓運動來推動動子做連續的直線運動。該電機定子由超聲變幅杆原理的蘭傑文振子構成，可以使驅動足獲得較大的振幅，使電機具有輸出力大，運行速度高，輸出效率高等特點。該型定子是利用壓電陶瓷片的逆壓電效應d31激發定子的兩個振動模態。將定子的壓電振子分為兩組，即同一邊的兩個壓電振子分為一組。利用相位差為；Τ/2的兩同頻正弦信號同時激勵左右兩組壓電振子,從而分別激發定子的兩個振動模態。這兩個振動模態的疊加使得驅動足表面的質點產生橢圓運動來推動動子做連續的直線運動。圖4是壓電陶瓷片的極化以及信號加載示意圖。提供正弦激勵信號！ = U Sin _合
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其中一組壓電振子的陶瓷片，同時提供另一正弦激勵信號五給另一組壓電
2
振子的陶瓷片，激發定子的兩個同頻相位差為幾/2的振動模態,從而合成驅動足處質點的橢圓運動。扇形直線超聲電機定子的兩個工作模態如圖5所示。圖5 (a)說明，定子的左右兩組壓電振子做同向的縱向伸縮振動，在驅動足處合成為上下運動。圖5 (b)說明，定子的左右兩組壓電振子做反向的縱向伸縮振動，在驅動足處合成為左右運動。實施例2
本實施例和本實施例I的激勵信號加載方式相同，本實施例與實施例I的區別在於電機運行機理所依賴的壓電陶瓷極化效應不同。方案I利用壓電陶瓷的d31效應，方案2利用壓電陶瓷的d33效應。因而其結構區別在於如圖1、3所示，所述蘭傑文振子包括振子基體、四片壓電陶瓷片和兩片電極金屬片，每兩片壓電陶瓷片和一片電極金屬片組成一組，分別置于振子基體上的柔性夾持件的兩側，且每片電極金屬片夾在兩片壓電陶瓷片之間；所述蘭傑文振子前端部通過螺栓將其與電極金屬片、壓電陶瓷片、柔性夾持件和後端部裝配連接在一起構成前端蓋；所述壓電陶瓷片的正極與金屬片相連接，其負極與地相連接，所述地相為蘭傑文振子的前端部、後端部和柔性夾持件。該型定子是利用壓電陶瓷片的逆壓電效應d33激發定子的兩個振動模態，由於本實施例的蘭傑文振子由振子基體和壓電陶瓷片裝配而成，所以稱之為夾芯式扇形電機。將定子的壓電振子分為兩組，即同一邊的兩個壓電振子分為一組。利用相位差為幾/2的兩同頻正弦信號同時激勵左右兩組壓電振子,從而分別激發定子的兩個振動模態。這兩個振動模態的疊加使得驅動足表面的質點產生橢圓運動來推動動子做連續的直線運動。實施例3 本實施例與實施例1、2的區別在於本實施例與實施例1、2的激勵信號加載方式不同，其結構採用實施例I的結構，如圖2、4所示，將定子的壓電振子分為兩組，外側的兩個蘭傑文振子分為一組，內側的兩個蘭傑文振子分為一組。對於外側的兩個蘭傑文振子，其中某一個蘭傑文振子的壓電陶瓷片的極化方向與另一蘭傑文振子的壓電陶瓷片的極化方向相反。用同一正弦信號同時激勵外側的兩個蘭傑文振子，使驅動足上的質點作水平往復運動。用與上述正弦信號成一定相位差(冗/2)的另一正弦信號同時激勵內側的兩個蘭傑文振子，使驅動足上的質點作豎直往復運動。這兩個運動的疊加使得驅動足表面的質點產生橢圓運動來推動動子做連續的直線運動。實施例4
本實施例與實施例1、2的區別在於本實施例與實施例1、2、3的激勵信號加載方式不同，其結構採用實施例I的結構，如圖2、4所示，將定子的壓電振子分為兩組，相隔的兩個蘭傑文振子分為一組，即某一邊外側的蘭傑文振子與另一邊內側的蘭傑文振子分為一組。利用相位差為1/2的兩同頻正弦信號同時激勵上述兩組壓電振子，從而分別激發定子的兩個振動模態。這兩個振動模態的疊加使得驅動足表面的質點產生橢圓運動來推動動子做連續的直線運動。綜上所述實施例I和實施例2的激勵信號加載方式相同，他們的區別在於電機運行機理所依賴的壓電陶瓷極化效應不同。實施例I利用壓電陶瓷的d31效應，實施例2利用壓電陶瓷的d33效應。實施例3和實施例4的激勵信號加載方式互不相同，並且與實施例I和實施例2的激勵信號加載方式不同。為了突出說明不同激勵信號的加載方式，故實施例3和實施例4均利用壓電陶瓷的d31效應，即採用實施例I的貼片式扇形電機為方案對象。上面結合附圖所描述的本發明優選具體實施例僅用於說明本發明的實施方式，而不是作為對前述發明目的和所附權利要求內容和範圍的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬本發明技術和權利保護範疇。
權利要求
1.一種基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，其特徵在於所述電機的定子由 2η(η>1)個蘭傑文振子以一定的角度交叉組成扇形結構；所述蘭傑文振子包括振子基體和壓電陶瓷片，所述壓電陶瓷片設置于振子基體上；所述振子基體包括作為直杆的後端部和作為連續變截面杆的前端部，同時所述後端部與前端部的交界面為連續截面，所述前端部呈現由後向前漸縮的狀態，所述蘭傑文振子的前端部柔性鉸鏈為一體形成驅動足，而後端部呈扇形分開；所述蘭傑文振子後端部之間通過柔性圓弧片段相連接，外側的兩個蘭傑文振子後端部通過柔性圓弧片段與帶有圓形通孔的固定端相連接；所述同一邊的蘭傑文振子分為一組，利用相位差為jt/2的兩同頻正弦信號同時激勵左右兩組蘭傑文振子。
2.根據權利要求I所述基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，其特徵在於所述蘭傑文振子包括振子基體和兩片壓電陶瓷片，所述兩片壓電陶瓷片沿振子基體後端部的內側與振子基體粘接在一起，所述壓電陶瓷片的正極朝外，負極指向振子基體表面。
3.根據權利要求I所述基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，其特徵在於所述蘭傑文振子包括振子基體、四片壓電陶瓷片和兩片電極金屬片，每兩片壓電陶瓷片和一片電極金屬片組成一組，分別置于振子基體上的柔性夾持件的兩側，且每片電極金屬片夾在兩片壓電陶瓷片之間；所述蘭傑文振子前端部通過螺栓將其與電極金屬片、壓電陶瓷片、柔性夾持件和後端部裝配連接在一起構成前端蓋；所述壓電陶瓷片的正極與金屬片相連接， 其負極與地相連接。
4.根據權利要求3所述基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，其特徵在於所述地相為蘭傑文振子的前端部、後端部和柔性夾持件。
5.根據權利要求I或2或3所述基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，其特徵在於所述2n個蘭傑文振子分為兩組，所述η個同側的蘭傑文振子為一組，形成定子的A相， 而另η個同一側的蘭傑文振子為一組，形成定子的B相；所述A相接正弦信號，B相接餘弦信號。
6.根據權利要求I或2或3所述基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，其特徵在於所述蘭傑文振子連接面的面積遠小於其周圍的振子截面積，從而形成柔性鉸鏈。
7.根據權利要求I或2或3所述基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，其特徵在於所述驅動足處加工有一個以上的孔。
全文摘要
本發明涉及一種基於連續變幅杆原理的扇形直線超聲電機，屬於超聲電機技術領域。所述電機的定子由2n(n>1)個蘭傑文振子以一定的角度交叉組成扇形結構；所述蘭傑文振子包括振子基體和壓電陶瓷片；所述蘭傑文振子的前端部柔性鉸鏈為一體形成驅動足，而後端部呈扇形分開；所述蘭傑文振子後端部之間通過柔性圓弧片段相連接，外側的兩個蘭傑文振子後端部通過柔性圓弧片段與帶有圓形通孔的固定端相連接。本發明不僅空間利用率高，且能夠增加定子的能量密度和輸出力。
文檔編號H02N2/02GK102931872SQ201210433819
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月2日 優先權日2012年11月2日
發明者姚志遠, 江超 申請人:南京航空航天大學