減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子v形壓電電機及其驅(qū)動方式的制作方法
【專利說明】
[0001]技術(shù)領域:
本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機及其驅(qū)動方式，屬壓電電機領域。
[0002]【背景技術(shù)】:
壓電電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應進行工作的新型動力輸出裝置。其中，直線壓電電機屬于壓電電機的一種。與傳統(tǒng)電磁電機相比，壓電電機具有低速大力矩，瞬態(tài)響應快，定位精度高，控制特性好，不產(chǎn)生磁場也不受磁場影響等優(yōu)點，在精密驅(qū)動，醫(yī)療器械，汽車，航空航天等領域有著廣泛的應用前景。
[0003]經(jīng)對現(xiàn)有斜動子壓電電機的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，專利發(fā)明人為黃衛(wèi)清、陳乾偉且專利授權(quán)號為ZL 200910184876.5的中國專利《雙向單模態(tài)斜軌V形直線超聲電機及電激勵方式》詳細描述了一種斜動子V形直線壓電電機，這種V形壓電電機具有以下典型特征:該電機由V形定子和傾斜Θ度角的直線導軌組成，其中V形定子包括兩個相同的左右對稱具有夾角的壓電振子，每個壓電振子依次包括后端蓋、支撐板、壓電陶瓷和電極片、前端蓋，前端蓋和后端蓋通過壓緊螺栓壓緊固定，兩個壓電振子的前端蓋上端部聯(lián)為一體形成驅(qū)動足。V形定子設計有兩個正交工作模態(tài)，分別為對稱振動模態(tài)和反對稱振動模態(tài)；當激發(fā)其中任意一個工作模態(tài)時，定子驅(qū)動足表面質(zhì)點的運動軌跡相對于導軌是一條斜直線，且斜直線的傾斜方向隨工作模態(tài)的改變而改變，從而推動導軌正反向運動。
[0004]經(jīng)對現(xiàn)有減摩并模態(tài)驅(qū)動壓電電機的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，專利發(fā)明人為陳乾偉、周擴建和周霞且專利申請?zhí)枮镃N201310365952.9的中國專利《單模態(tài)并減摩驅(qū)動的單足板形壓電電機其工作模式》詳細描述了一種振子主體材料為壓電陶瓷的單驅(qū)動足板形壓電電機；這種板形壓電電機最典型的特征:它是基于減摩驅(qū)動與模態(tài)驅(qū)動相結(jié)合的驅(qū)動機理進行工作的。
[0005]在【背景技術(shù)】中的上述若干壓電電機雖然具有模態(tài)驅(qū)動原理和減摩驅(qū)動原理等值得稱道之處，但都存在各自的不足。
[0006]專利發(fā)明人為黃衛(wèi)清、陳乾偉且專利授權(quán)號為ZL 200910184876.5的中國專利《雙向單模態(tài)斜軌V形直線超聲電機及電激勵方式》所描述的斜動子V形直線壓電電機的不足之處在于:該壓電電機采用的是單模態(tài)驅(qū)動，屬于較成熟的設計方案；但是從科技進步的角度來看，應該在該專利所描述的斜動子粘貼片式塔形直線壓電電機的單模態(tài)驅(qū)動機理的基礎上，融入其它驅(qū)動機理，用于研發(fā)新型的壓電電機；解決此不足之處的辦法:在單模態(tài)驅(qū)動原理的基礎上，有機地融入減摩驅(qū)動原理，用于研發(fā)新型的壓電電機。
[0007]專利發(fā)明人為陳乾偉、周擴建和周霞且專利申請?zhí)枮镃N201310365952.9的中國專利《單模態(tài)并減摩驅(qū)動的單足板形壓電電機其工作模式》所描述的單驅(qū)動足板形壓電電機的不足之處在于:該壓電電機的單模態(tài)并減摩驅(qū)動機理中的單模態(tài)驅(qū)動部分采用的是非對稱激勵及非對稱衰減的E (3，I)振動模態(tài)；由于非對稱激勵及非對稱衰減的E (3，I)振動模態(tài)對板形壓電電機的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)尺寸有特定的要求，限制了該壓電電機的適用范圍；此外，該壓電電機的強迫振動的驅(qū)動機理為stick-slip驅(qū)動機理，stick-slip驅(qū)動機理的典型特征是在驅(qū)動過程中定子與動子始終保持接觸，限制了電機的功率輸出。解決此不足之處的辦法:采用新的電機結(jié)構(gòu)形式并采用與新結(jié)構(gòu)相適應的工作模態(tài)進行單模態(tài)驅(qū)動；針對stick-slip驅(qū)動機理的不足,優(yōu)化電機的整體結(jié)構(gòu)設計,提高電機的功率輸出。
[0008]
【發(fā)明內(nèi)容】
:
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種減摩并模態(tài)驅(qū)動、可實現(xiàn)正反向運動、結(jié)構(gòu)簡單、推重比大、激振效率高、振動能利用率高、響應速度快的斜動子V形壓電電機及其驅(qū)動方式。
[0009]為達此目的，本發(fā)明提供一種減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機，該電機由V形定子和傾斜動子構(gòu)成，其中傾斜動子為一傾斜安裝角為Θ度的直線導軌，所述直線導軌在預壓力的作用下壓在V形定子的驅(qū)動足上；所述的V形定子包括兩個相同的壓電振子:左壓電振子和右壓電振子；每個壓電振子依次包括后端蓋、壓電陶瓷、電極片和前端蓋，其中壓電陶瓷置于前端蓋與后端蓋之間以及驅(qū)動足附近，電極片置于前端蓋與后端蓋之間的每兩片壓電陶瓷之間，前端蓋與后端蓋通過壓緊螺栓聯(lián)結(jié)并壓緊固定，兩個壓電振子的前端蓋上端部聯(lián)結(jié)為一體形成驅(qū)動足；上述兩個相同的壓電振子左右對稱具有夾角，整體呈V形；V形定子的壓電陶瓷包括A相、B相和C相共三相壓電陶瓷，其中V形定子的A相和B相用于共振驅(qū)動方式下的模態(tài)驅(qū)動或非共振驅(qū)動方式下的強迫振動驅(qū)動，V形定子的C相用于減摩驅(qū)動。
[0010]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機的進一步細化，所述的減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機導軌傾斜安裝角θ的設計原則如下，模態(tài)振幅沿定子與導軌接觸界面的法向分量要大于定子與導軌接觸界面的粗糙度Ra;即設定子的X — Z面內(nèi)對稱振動模態(tài)的振幅為U，則此振動模態(tài)垂直于導軌的法向振動分量為:Uf=Ucos Θ ;設定子的X — z面內(nèi)反對稱振動模態(tài)的振幅為V,則此振動模態(tài)垂直于導軌的法向振動分量為:Vf=Vsin Θ ;要使定子有效地驅(qū)動導軌，必須滿足以下條件:Ucos Θ >Ra, Vsin Θ >Ra;所以，導軌傾斜角 Θ 的選擇范圍:arcsin(Ra/V)〈 Θ〈arccos (Ra/U)。
[0011]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機的進一步細化，所述V形定子的壓電陶瓷布置在左、右壓電振子的前端蓋與后端蓋之間以及驅(qū)動足附近；左、右壓電振子前端蓋與后端蓋之間的壓電陶瓷在形式、數(shù)量、極化方式等各方面都是相同的；每個壓電振子的前端蓋與后端蓋之間包含偶數(shù)片壓電陶瓷，每兩片極化方向相反的壓電陶瓷構(gòu)成一組壓電陶瓷，這些壓電陶瓷沿厚度方向極化，利用逆壓電d33效應激發(fā)V形定子的振動；每組壓電陶瓷的中間安放電極片，用于外接激勵信號；每組壓電陶瓷的兩側(cè)安放電極片，用于接地；每個壓電振子前端蓋與后端蓋之間的壓電陶瓷通過壓緊螺栓與前端蓋、后端蓋壓緊固定并聯(lián)結(jié)成一體，布置在驅(qū)動足附近的壓電陶瓷通過粘結(jié)或焊接的方式固定并與驅(qū)動足聯(lián)結(jié)成一體，這些壓電陶瓷沿厚度方向極化，利用逆壓電d31效應激發(fā)驅(qū)動足的局部振動；箭頭方向為壓電陶瓷的極化方向。
[0012]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機的進一步細化，所述壓電電機設計有共振和非共振兩種驅(qū)動方式，在共振驅(qū)動方式，V形定子在模態(tài)并減摩驅(qū)動下工作，推動導軌正反向運動；在非共振驅(qū)動方式，V形定子在強迫振動并減摩驅(qū)動下工作，推動導軌正反向運動。
[0013]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機的進一步細化，所述壓電電機在共振驅(qū)動方式下的接線方式與在非共振驅(qū)動方式下的接線方式相同，其接線方式如下，左壓電振子的前端蓋與后端蓋之間的偶數(shù)片壓電陶瓷相互連接構(gòu)成電機的A相；右壓電振子的前端蓋與后端蓋之間的偶數(shù)片壓電陶瓷相互連接構(gòu)成電機的B相；布置在驅(qū)動足附近的壓電陶瓷相互連接構(gòu)成電機的C相。在每個壓電振子的前端蓋與后端蓋之間的偶數(shù)片壓電陶瓷中，每兩片極化方向相反的壓電陶瓷構(gòu)成一組壓電陶瓷，每組壓電陶瓷的中間安放電極片，用于外接激勵信號；每組壓電陶瓷的兩側(cè)安放電極片，用于接地；電機的A相和B相用于共振驅(qū)動方式下的模態(tài)驅(qū)動或非共振驅(qū)動方式下的強迫振動驅(qū)動，電機的C相用于減摩驅(qū)動。
[0014]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機的進一步細化，所述壓電電機在共振驅(qū)動方式，驅(qū)動電機的工作模態(tài)分別為V形定子的X - Z面內(nèi)對稱振動模態(tài)或X -Z面內(nèi)反對稱振動模態(tài)，X-Z面內(nèi)對稱振動模態(tài)的共振頻率為，X-Z面內(nèi)反對稱振動模態(tài)的共振頻率為；同時以減摩方式驅(qū)動電機工作的為驅(qū)動足局部強迫縱振或驅(qū)動足局部強迫彎振或驅(qū)動足局部縱振模態(tài)或驅(qū)動足局部彎振模態(tài)，減摩驅(qū)動激勵信號的頻率為，；其中X — z面內(nèi)對稱振動模態(tài)由電機的A相和B相輸入兩相同相信號共同激發(fā)，當定子以X —z面內(nèi)對稱振動模態(tài)振動時，帶動驅(qū)動足產(chǎn)生垂直方向的振動；其中X - z面內(nèi)反對稱振動模態(tài)由電機的A相和B相輸入兩相反相信號共同激發(fā)，當定子以X — z面內(nèi)反對稱振動模態(tài)振動時，帶動驅(qū)動足產(chǎn)生水平方向的振動；設沿斜導軌向左上為正方向，沿斜導軌向右下為負方向；在電機的A相上施加的激勵信號為，同時在電機的B相上施加的激勵信號為,接近；可激發(fā)X - z面內(nèi)對稱振動模態(tài)，帶動驅(qū)動足產(chǎn)生垂直方向的振動；同時電機的C相輸入周期性間隔觸發(fā)的頻率為()的正弦波激勵信號，用于同時激發(fā)定子產(chǎn)生驅(qū)動足局部強迫縱振或驅(qū)動足局部強迫彎振或驅(qū)動足局部縱振模態(tài)或驅(qū)動足局部彎振模態(tài)，用于減摩驅(qū)動；相對于導軌而言，定子驅(qū)動足表面質(zhì)點垂直方向的振動軌跡是一條往復運動的斜直線，它與導軌的夾角為(90 - Θ )度，推動壓在驅(qū)動足上的導軌正向運動；在電機的A相上施加的激勵信號為，同時在電機的B相上施加的激勵信號為，接近；可激發(fā)X - z面內(nèi)反對稱振動模態(tài)，帶動驅(qū)動足產(chǎn)生水平方向的振動；同時電機的C相輸入周期性間隔觸發(fā)的頻率為()的正弦波激勵信號，用于同時激發(fā)定子產(chǎn)生驅(qū)動足局部強迫縱振或驅(qū)動足局部強迫彎振或驅(qū)動足局部縱振模態(tài)或驅(qū)動足局部彎振模態(tài)，用于減摩驅(qū)動；相對于導軌而言，定子驅(qū)動足表面質(zhì)點水平方向的振動軌跡是一條往復運動的斜直線，它與導軌的夾角為(180 - Θ )度，推動壓在驅(qū)動足上的導軌反向運動；上述在共振驅(qū)動方式下的減摩并模態(tài)驅(qū)動，在理論上比在共振驅(qū)動方式下單獨采用模態(tài)驅(qū)動或減摩驅(qū)動的輸出功率和輸出效率都要大。
[0015]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機的進一步細化，所述壓電電機在非共振驅(qū)動方式，驅(qū)動電機工作的強迫振動的振型分別為V形定子的X-Z面內(nèi)強迫對稱縱振或x-z面內(nèi)強迫反對稱縱振，上述強迫振動激勵信號的頻率分別為和；同時以減摩方式驅(qū)動電機工作的為驅(qū)動足局部強迫縱振或驅(qū)動足局部強迫彎振或驅(qū)動足局部縱振模態(tài)或驅(qū)動足局部彎振模態(tài)，減摩驅(qū)動激勵信號的頻率為，；其中x-z面內(nèi)強迫對稱縱振由電機的A相和B相輸入兩相同相信號共同激發(fā)，當定子以x-z面內(nèi)強迫對稱縱振振動時，帶動驅(qū)動足產(chǎn)生垂直方向的振動；其中x-z面內(nèi)強迫反對稱縱振由電機的A相和B相輸入兩相反相信號共同激發(fā)，當定子以x-z面內(nèi)強迫反對稱縱振振動時，帶動驅(qū)動足產(chǎn)生水平方向的振動；設沿斜導軌向左上為正方向，沿斜導軌向右下為負方向；當同時在電機的A相和B相施加兩相同相的頻率為的激勵信號，可激發(fā)定子產(chǎn)生x-z面內(nèi)強迫對稱縱振，并帶動驅(qū)動足產(chǎn)生垂直方向的振動；同時電機的C相輸入周期性間隔觸發(fā)的頻率為()的正弦波激勵信號，用于同時激發(fā)定子產(chǎn)生驅(qū)動足局部強迫縱振或驅(qū)動足局部強迫彎振或驅(qū)動足局部縱振模態(tài)或驅(qū)動足局部彎振模態(tài)，用于減摩驅(qū)動；相對于導軌而言，定子驅(qū)動足表面質(zhì)點垂直方向的振動軌跡是一條往復運動的斜直線，它與導軌的夾角為(90 - Θ )度，推動壓在驅(qū)動足上的導軌正向運動；當同時在電機的A相和B相施加兩相反相的頻率為的激勵信號，可激發(fā)定子產(chǎn)生x-z面內(nèi)強迫反對稱縱振，并帶動驅(qū)動足產(chǎn)生水平方向的振動；同時電機的C相輸入周期性間隔觸發(fā)的頻率為()的正弦波激勵信號，用于同時激發(fā)定子產(chǎn)生驅(qū)動足局部強迫縱振或驅(qū)動足局部強迫彎振或驅(qū)動足局部縱振模態(tài)或驅(qū)動足局部彎振模態(tài)，用于減摩驅(qū)動；相對于導軌而言，定子驅(qū)動足表面質(zhì)點水平方向的振動軌跡是一條往復運動的斜直線，它與導軌的夾角為(180 - Θ )度，推動壓在驅(qū)動足上的導軌反向運動；上述在非共振驅(qū)動方式的減摩并強迫振動的驅(qū)動，在理論上比非共振驅(qū)動方式下單獨采用強迫振動驅(qū)動或減摩驅(qū)動的輸出功率和輸出效率都要大。
[0016]作為本發(fā)明的減摩并模態(tài)驅(qū)動的斜動子V形壓電電機的進一步細化，所述壓電電機在非共振驅(qū)動方式強迫振動時，電機的A相和B相輸入的激勵信號為連續(xù)正弦波或非對