專利名稱：一種橢圓拋物面形直線超聲電機的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種橢圓拋物面形直線超聲電機，屬于超聲電機技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
直線超聲電機是20世紀80年代迅速發(fā)展和應用的一種新型微電機，它利用壓電元件的逆壓電效應和彈性體的超聲振動，并通過定子和動子之間的摩擦作用，把彈性體的微幅振動轉(zhuǎn)換成動子的宏觀直線(旋轉(zhuǎn))運動，直接推動負載。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、低速大扭矩、響應快、定位精度高和電磁兼容性等優(yōu)點。在航空航天、武器裝備和精密驅(qū)動領域有著廣泛的應用前景。目前國內(nèi)直線超聲電機的發(fā)展很快。在中國專利網(wǎng)上，有多項關(guān)于直線超聲電機的專利。這其中，桿結(jié)構(gòu)直線超聲電機備受關(guān)注，這是因為該電機的定子是由蘭杰文振子構(gòu)成的。蘭杰文振子利用縱振，有明確的節(jié)點。它具有很高的能量傳輸效率，并有利于夾持。專利200810124426. 2提出基于連續(xù)變幅桿原理的K形直線超聲電機，該電機的定子有2個對稱的蘭杰文振子構(gòu)成。專利201010556088. 7提出基于直線超聲電機的柔性夾持技術(shù)，它是通過柔性圓弧片段將所有壓電振子連接起來，并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(jié)構(gòu)。上述電機的定子僅僅是有兩個蘭杰文振子構(gòu)成，其定子的空間利用率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述問題的不足，提出一種能量密度高、且利用多個蘭杰文振子構(gòu)建其定子的橢圓拋物面形直線超聲電機。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題提出的技術(shù)方案是一種橢圓拋物面形直線超聲電機，包括定子(I)和一柱狀結(jié)構(gòu)的動子(2)，所述定子(I)由n(n>=3)個復合振子并聯(lián)而成，所述復合振子通過柔性支持元件(3)相連接，同時所述η個復合振子在空間圍繞動子(2)沿周向?qū)ΨQ放置；所述每個復合振子由兩個蘭杰文振子成一定角度互相交叉構(gòu)成，且單個復合振子的剖線繞軸形成橢圓拋物面，同時該兩個蘭杰文振子頭部聯(lián)為一體形成復合振子的驅(qū)動足(13)，而每個蘭杰文振子由彈性體(11)以及壓電陶瓷片(12)組成，所述壓電陶瓷片的正極朝外，負極指向彈性體(11)的基體表面。優(yōu)選的所述柔性支持元件為兩個相同的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述圓環(huán)形結(jié)構(gòu)包括用于固定定子的圓弧支架(31)、施加預壓力的柔性鉸鏈(32)和用于固定整個電機的固定件
(33)，所述圓弧支架(31)、柔性鉸鏈(32)、固定件(33)按柔性鉸鏈(32)、圓弧支架(31)、柔性鉸鏈(32)、固定件(33)的順序依次圓環(huán)形連接；而所述定子(I)安裝在兩個圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的圓弧支架(31)之間。優(yōu)選的所述各復合振子的同一側(cè)的蘭杰文振子為一組，兩組蘭杰文振子利用相位差為Χ/2的兩同頻正弦信號同時激勵，驅(qū)動動子在其軸向方向進行直線運動。優(yōu)選的所述η個驅(qū)動足在以動子運動方向為法向的平面內(nèi)形成一個圓，且所述動子的直徑大于該圓的直徑。優(yōu)選的所述每個復合振子的兩個蘭杰文振子的交叉角度在0° -180°之間。本發(fā)明的一種橢圓拋物面形直線超聲電機，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下有益效果由于所述定子(I)由n(n>=3)個復合振子并聯(lián)而成，所述復合振子通過柔性支持元件(3)相連接，同時所述η個復合振子在空間圍繞動子(2)沿周向?qū)ΨQ放置；所述每個復合振子由兩個蘭杰文振子成一定角度互相交叉構(gòu)成，且單個復合振子的剖線繞軸形成橢圓拋物面，同時該兩個蘭杰文振子頭部聯(lián)為一體形成復合振子的驅(qū)動足(13)，而每個蘭杰文振子由彈性體(11)以及壓電陶瓷片(12)組成，同時由于直線超聲電機主要有板結(jié)構(gòu)和桿結(jié)構(gòu)兩種形式，板結(jié)構(gòu)直線超聲電機為扁平形式，結(jié)構(gòu)簡單，在特定場合能發(fā)揮作用，桿結(jié)構(gòu)直線超聲電機利用蘭杰文振子可以產(chǎn)生大的輸出力和高的輸出效率，重要是，蘭杰文振子有明確的縱振節(jié)點，有利于電機的夾持和預壓力加載。本項專利結(jié)合這兩種直線超聲電機的特點，提出利用多個蘭杰文振子設計直線超聲電機。一方面該電機的主體結(jié)構(gòu)為桿結(jié)構(gòu)的蘭杰文振子，另一方面其外觀結(jié)構(gòu)為橢圓拋物面形結(jié)構(gòu)。所以該電機結(jié)構(gòu)簡單、有明確的加持點和高的效率。 本發(fā)明的工作模態(tài)是，復合振子的兩個蘭杰文振子做同相的縱向振動時，激發(fā)復合振子的對稱模態(tài)；兩個蘭杰文振子做互為反相的縱向振動時，激發(fā)復合振子的反對稱模態(tài)。采用兩個相位差為 Γ/2的正弦信號同時激勵復合振子的兩個蘭杰文振子，激發(fā)復合振子兩個同頻相位差1/2的振動模態(tài)，使復合振子上驅(qū)動足質(zhì)點做橢圓運動。在電機工作時，η個復合振子采用相同的驅(qū)動方式(同頻、同相)，驅(qū)動動子向同一方向運動。動子為圓柱形結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動足處與復合振子相接觸。η個驅(qū)動足在以動子運動方向為法向的平面內(nèi)形成一個圓，圓柱形動子的直徑大于該圓的直徑。由于圓柱形動子的直徑大于該圓的直徑，所以在定子和動子之間產(chǎn)生預壓力。由于沒有專門的預壓力加載結(jié)構(gòu)，電機的結(jié)構(gòu)更加簡單。上述電機在圍繞動子的對稱空間分布定子，有利于提高電機的空間利用率。同時由于激發(fā)多個復合振子同時工作，使整個電機有更大的輸出力。本發(fā)明提出利用η個復合振子構(gòu)成電機的定子，并在空間呈橢圓拋物面形結(jié)構(gòu)。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。由于采用帶有柔性鉸鏈的夾持元件，使得定子和動子之間自然地產(chǎn)生預壓力，這樣的結(jié)構(gòu)省去傳統(tǒng)的直線超聲電機所具有的預壓力加載部件，電機的結(jié)構(gòu)變得更加簡單。


圖I是橢圓拋物面形直線超聲電機的結(jié)構(gòu)示意 圖2是橢圓拋物面形直線超聲電機的柔性支持元件的結(jié)構(gòu)示意 圖3是復合振子的結(jié)構(gòu)示意 圖4是單個定子壓電陶瓷片的極化以及信號加載示意圖，圖4 (b)是圖4 Ca)的k-k首丨J視圖;
圖5是橢圓拋物面形直線超聲電機系統(tǒng)工作模態(tài)的示意圖。其中，圖5 (a)是定子對稱工作模態(tài)的示意圖，圖5 (b)定子反對稱工作模態(tài)的示意 其中1.定子，2.動子，3.柔性支持元件，11.彈性體，12.壓電陶瓷片，13.驅(qū)動足，31.圓弧支架，32.柔性鉸鏈，33.固定件。
具體實施例方式附圖非限制性地公開了本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，以下將結(jié)合附圖詳細地說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
實施例本實施例的一種橢圓拋物面形直線超聲電機如圖1-3所不,包括定子I和一柱狀結(jié)構(gòu)的動子2，所述其動子2為一個管狀陶瓷條，所述定子I由n(n>=3)個復合振子并聯(lián)而成，所述復合振子通過柔性支持元件3相連接，同時所述η個復合振子在空間圍繞動子2沿周向?qū)ΨQ放置；所述每個復合振子由兩個蘭杰文振子成一定角度互相交叉構(gòu)成，且單個復合振子的剖線繞軸形成橢圓拋物面，同時該兩個蘭杰文振子頭部聯(lián)為一體形成復合振子的驅(qū)動足13，而每個蘭杰文振子由彈性體11以及壓電陶瓷片12組成，所述彈性體11又稱為 定子基體，所述壓電陶瓷片的正極朝外，負極指向彈性體11的基體表面，η個復合振子對動子的力自然平衡，整個定子通過線切割方式一體化加工，保證對各直線超聲電機實現(xiàn)夾持且又不干擾其振動模態(tài)頻率，還可使定子對動子有一定的預壓力。所述柔性支持元件為兩個相同的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述圓環(huán)形結(jié)構(gòu)包括用于固定定子的圓弧支架31、施加預壓力的柔性鉸鏈32和用于固定整個電機的固定件33，所述圓弧支架31、柔性鉸鏈32、固定件33按柔性鉸鏈32、圓弧支架31、柔性鉸鏈32、固定件33的順序依次圓環(huán)形連接；而所述定子I安裝在兩個圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的圓弧支架31之間。所述各復合振子的同一側(cè)的蘭杰文振子為一組，兩組蘭杰文振子利用相位差為V/2的兩同頻正弦信號同時激勵，驅(qū)動動子在其軸向方向進行直線運動。所述η個驅(qū)動足在以動子運動方向為法向的平面內(nèi)形成一個圓，且所述動子的直徑大于該圓的直徑。所述每個復合振子的兩個蘭杰文振子的交叉角度在0° -180°之間。此電機并沒有專門的施加預壓力的裝置，結(jié)構(gòu)較為簡單。固定件為帶有通孔的矩形夾持件，之后將通過螺釘將電機裝配在外部裝置上。整體結(jié)構(gòu)均由線切割一體化加工而成。將定子的壓電振子分為兩組，即每個復合振子上部的壓電振子為A項，下部的壓電振子為B項。利用相位差為 r/2的兩同頻正弦信號同時激勵兩組壓電振子，從而分別激發(fā)復合振子的兩個振動模態(tài)，這兩個振動模態(tài)的疊加使得驅(qū)動足表面的質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動，驅(qū)動動子在其軸向方向進行直線運動。如圖4為壓電陶瓷片的極化及加載示意圖。每個復合振子由兩個蘭杰文振子以一定角度交叉組成，利用相位差？r/2的同頻正弦信號同時激勵兩個壓電振子來分別激發(fā)定子的兩個振動模態(tài)，這兩個振動模態(tài)的疊加使得驅(qū)動足端面上各質(zhì)點產(chǎn)生橢圓運動來推動動子連續(xù)直線運動。當激勵信號相反時，即可實現(xiàn)動子的反方向直線運動。η個復合振子采用相同的驅(qū)動方式(同頻、同相)，驅(qū)動動子向同一方向運動，提高了輸出力和輸出功率，并提高了空間利用率。每個復合振子的兩個工作模態(tài)如圖5所示。圖5 (a)說明，復合振子的兩個壓電振子做同向的縱向伸縮振動，在驅(qū)動足處合成為上下運動。圖5 (b)說明，復合振子的兩個壓電振子做反向的縱向伸縮振動，在驅(qū)動足處合成為左右運動。上面結(jié)合附圖所描述的本發(fā)明優(yōu)選具體實施例僅用于說明本發(fā)明的實施方式，而不是作為對前述發(fā)明目的和所附權(quán)利要求內(nèi)容和范圍的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)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(fā)明技術(shù)和權(quán)利保護范疇。
權(quán)利要求
1.一種橢圓拋物面形直線超聲電機，包括定子(I)和一柱狀結(jié)構(gòu)的動子(2)，其特征在于所述定子(I)由n(n>=3)個復合振子并聯(lián)而成，所述復合振子通過柔性支持元件(3)相連接，同時所述η個復合振子在空間圍繞動子(2)沿周向?qū)ΨQ放置；所述每個復合振子由兩個蘭杰文振子成一定角度互相交叉構(gòu)成，且單個復合振子的剖線繞軸形成橢圓拋物面，同時該兩個蘭杰文振子頭部聯(lián)為一體形成復合振子的驅(qū)動足(13)，而每個蘭杰文振子由彈性體(11)以及壓電陶瓷片(12)組成，所述壓電陶瓷片的正極朝外，負極指向彈性體(11)的基體表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述橢圓拋物面形直線超聲電機，其特征在于所述柔性支持元件為兩個相同的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，所述圓環(huán)形結(jié)構(gòu)包括用于固定定子的圓弧支架(31)、用于固定定子及施加預壓力的柔性鉸鏈(32)和用于固定整個電機的固定件(33)，所述圓弧支架(31)、柔性鉸鏈(32)、固定件(33)按柔性鉸鏈(32)、圓弧支架(31)、柔性鉸鏈(32)、固定件(33)的順序依次圓環(huán)形連接；而所述定子(I)安裝在兩個圓環(huán)形結(jié)構(gòu)的圓弧支架(31)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述橢圓拋物面形直線超聲電機，其特征在于所述各復合振子的同一側(cè)的蘭杰文振子為一組，兩組蘭杰文振子利用相位差為^72的兩同頻正弦信號同時激勵，驅(qū)動動子在其軸向方向進行直線運動。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述橢圓拋物面形直線超聲電機，其特征在于所述η個驅(qū)動足在以動子運動方向為法向的平面內(nèi)形成一個圓，且所述動子的直徑大于該圓的直徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述橢圓拋物面形直線超聲電機，其特征在于所述每個復合振子的兩個蘭杰文振子的交叉角度在0° -180°之間。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種橢圓拋物面形直線超聲電機，屬于超聲電機技術(shù)領域。包括定子(1)和一柱狀結(jié)構(gòu)的動子(2)，所述定子(1)由n(n>=3)個復合振子并聯(lián)而成；所述每個復合振子由兩個蘭杰文振子成一定角度互相交叉構(gòu)成，同時該兩個蘭杰文振子頭部聯(lián)為一體形成復合振子的驅(qū)動足(13)，而每個蘭杰文振子由彈性體(11)以及壓電陶瓷片(12)組成。本發(fā)明不僅能量密度高，而且利用多個蘭杰文振子構(gòu)建其定子，有利于提高電機的空間利用率，同時由于激發(fā)多個復合振子同時工作，使整個電機有更大的輸出力。
文檔編號H02N2/04GK102931871SQ20121043319
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者姚志遠, 簡月 申請人:南京航空航天大學