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一种直线超声电机定子及其电激励方法

  • 发布时间: 2023-05-22
预算 6.50万
基本信息
成果方:哈尔滨工业大学
合作方式:技术转让
成果类型:发明专利,
行业领域
新能源与高效节能
成果描述

一种直线超声电机定子及其电激励方法,定子包括定子弹性体和压电陶瓷片;定子弹性体上沿长度方向切割有开口槽,所述定子弹性体被所述开口槽分隔为驱动身和两个对称的驱动腿;两个驱动腿上相对的两外侧面贴有呈轴对称的压电陶瓷片,两个驱动腿的上端分别具有向外延伸的驱动足;所有的压电陶瓷片上涂有电极层。电激励方法包括:1)粘接压电陶瓷片;2)作通电极;3)两次用两路同频正弦电压信号同时激发驱动腿局部的二阶弯曲振动和定子的整体一阶纵向振动,最终实现驱动动子正反向的运动。本发明利用定子两个驱动腿局部的二阶弯曲振动与定子整体的一阶纵向振动组合简并,实现驱动足作椭圆振动。

应用范围
超声电机是利用压电材料的逆压电效应,把电能转化为定子的振动能,在定子的驱动足端点激励出椭圆形或者斜弧线振动,再通过接触摩擦转化为运动部件的旋转或者直线运动。与传统电磁电机相比,超声电机具有低速大力量输出,运行安静无噪声,设计灵活,结构紧凑,能量密度大,易于微型化等许多独特的优点。
定子是超声电机的核心部件,对于直线型超声电机,其定子结构主要以平板形居多,也有少数细长圆柱形结构。定子之所以能够驱动动子移动,是因为在它的驱动足端激励出椭圆形振动,这种椭圆形振动通常是由两路振动合成,目前有各种激励振动和驱动的方法,可以分为两路振动同频率驱动和两路振动异频率驱动,其振动组合可分为纵纵振动组合,纵弯振动组合和弯弯振动组合等几种。公开号CN1359188A提出了一种弯纵组合直线超声马达振子,它是一种圆柱结构,借助于压电陶瓷的d33模式,利用了圆柱振子整体1阶纵振和2阶弯振组合使振子端部的凸齿产生椭圆振动,其圆柱结构限制了其尺寸进一步减小;公开号CN1327301A提出了一种纵弯组合直线超声电机振子,它是一种方板结构,借助于压电陶瓷的d31模式,利用了方板振子整体1阶纵振和2阶弯振组合使振子端部突起物做椭圆振动,其方板结构决定了振子不宜固定,需要特殊的预紧机构;CN1235404A公开了一种直线电机驱动振子,它是一种圆柱与方板组合结构,借助于压电陶瓷的d33模式激发出圆柱和方板组合结构的整体纵振,借助于压电陶瓷的d31模式激发出方板和圆柱组合结构的整体弯振,使得振子端部齿产生椭圆振动,这种振子为了使整体结构2阶弯振与1阶纵振简并,必须做的较长,很难微型化;CN205453548U公开了一种纵‑纵组合直线超声电机的振子,它由两个兰杰文振子正交组合为一个定子,利用两路纵振动在定子驱动头合成椭圆振动,这种振子预紧和固定复杂,较难微型化;CN103401470A公开了利用两个独立纵振动振子组成V形结构、实现直线运动的定子,也存在预紧和固定问题,较难微型化;CN1652447A公开了一种薄板形的纵弯组合振子,利用振子整体的弯振和纵振组合使振子侧向的驱动足形成椭圆振动,这种结构的振子为了使2阶弯振与1阶纵振简并,不能做的很短。
此外,CN104467524A公开了一种面内弯纵组合结构振子,该振子为板型结构,为了使整体面内弯曲振型与整体纵振动简并,要求振子有一定的宽度,这种振子只能把驱动头设置在弯振节点,振动幅度有限,效果不理想。
除此外,CN102118118A公开了一种弯‑弯振动组合振子,分别利用两个不同阶数弯曲模态使定子齿端形成斜弧线运动,实现往复驱动,需要提供不同频率的电源信号。

超声电机适合微型化,但是上述直线超声电机的定子(振子)在微型化时都有一些困难,主要表现为:一是振子结构不易实现微型化,当采用整体弯振和纵振组合时,在长度或者宽度方向都受到限制;二是振子固定有一定的困难,一般固定位置选择在一阶纵振和二阶弯振的节点,但是弯振节点存在弯曲变形,使得弯振被削弱;三是预紧机构较复杂,这些振子通常都是单驱动头驱动,需要特殊预紧机构。

本发明涉及一种超声电机及电激励方法,更具体地说,尤其涉及一种直线超声电机定子及其电激励方法。

前景分析
本发明相比现有技术的有益效果是:
一、定子为中部开口槽的轴对称结构,并将定子分隔为驱动身和驱动腿,利用定子两个驱动腿的局部二阶弯曲振动与定子的一阶纵向振动组合简并,实现了驱动足做椭圆振动,有别于一般的振子采用整体弯振和整体纵振合成椭圆的原理。本发明结构简单,加工方便,可以降低定子长度、厚度和宽度尺寸,易于微型化。
二、由于结构的对称性,使得该定子声学节点(不振动的点,既没有位移,也没有转角的点)明确,可以在这个声学节点处固定,既不影响纵向和弯曲振动模态的效果,又可以固定可靠。也可以直接将定子与外界固定。
 三、定子采用轴对称双驱动足结构设计,并且双驱动足在组合激励下产生同向驱动效果,不仅驱动力较大,使用时,可用动子两个侧面夹紧定子的两个驱动足,实现预紧,使得预紧简单,无需设计专门的预紧机构。
四、当采用整体压电陶瓷(包括但不限于PZT4或者PZT8)材料制作定子时,不仅省去了在金属弹性体上粘贴压电陶瓷片的粘结工序,而且可以增大振子的能量输入密度,使整体压电陶瓷定子储存更多的变形能,提高定子的驱动功率。


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    曲建俊

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    黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号

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