单端激励的自走式行波型直线超声波电机

发电;变电;配电装置的制造技术1.本发明涉及一种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，属于超声波电机技术领域。背景技术：2.目前对于绝大多数行波型直线超声波电机来说，一般有两种设计方案：一种是通过兰杰文振子在定子一端激振，另一端采用另一个兰杰文振子作为压电换能器吸收振动，从而达到阻抗匹配的目的；该方案兰杰文振子的一端必须固定于基座上，体积较大。例如，泰国的p.suybangdum等人在international society for optics and photonics(spie)会议中发表的dual piezoelecttic actuators for the traveling wave ultrasonic linear motor一文提出了一种具有双压电作动器的行波型直线超声波电机，包括两组压电作动器、阻尼材料和刚性支撑结构：所述压电作动器分别布置于定子左右两端底部，同时也在两侧的刚性支架和压电作动器之间添加了防止行波反射的阻尼材料。上述超声波电机存在着定子两端阻尼材料必须固定于支撑结构上，边界条件和电机结构较为复杂的问题。3.另一种将定子设计成环式结构，波形在定子中以封闭式路径传播，从而避免反射波，环式结构的定子中只包含行波。第二种方案通过多块贴片式压电陶瓷以空间距离相隔四分之一波长排列在定子上，再通以相位差90°的高频交流电，以此产生两列在空间和时间上均存在相移90°的驻波简并形成行波，从而激励定子产生共振，其存在结构复杂和电机对称性要求较高等问题。4.上述问题是在单端激励的自走式行波型直线超声波电机的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。技术实现要素：5.本发明的目的是提供一种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，结构紧凑，便于加工，易于控制，适合小型精密装置的驱动，解决现有行波直线超声波电机结构和驱动复杂的问题。6.本发明的技术解决方案是：7.一种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，包括定子，定子包括金属弹性体、左端激振压电陶瓷组、右端被动阻尼和若干驱动齿组，左端激振压电陶瓷组包括左前压电陶瓷和左后压电陶瓷，金属弹性体采用薄板型金属弹性体，金属弹性体包括弹性体中部、左凸出结构和右凸出结构，弹性体中部的两端分别设有左凸出结构和右凸出结构，左凸出结构内并排设有左前压电陶瓷和左后压电陶瓷，右凸出结构内设有右端被动阻尼，弹性体中部的上表面间隔设有若干驱动齿组，驱动齿组包括前驱动齿和后驱动齿，前驱动齿和后驱动齿分别设于弹性体中部的上表面前后两侧。8.进一步地，弹性体中部设有若干齿槽，齿槽设于相邻的驱动齿组间。9.进一步地，左凸出结构包括上凸出部和下凸出部，上凸出部和下凸出部分别设于弹性体中部的左端的上下两侧，上凸出部和下凸出部间形成用于容纳左前压电陶瓷和左后压电陶瓷的左凹槽。10.进一步地，右凸出结构包括前凸出部和后凸出部，前凸出部和后凸出部分别设于弹性体中部的右端的前后两侧，前凸出部和后凸出部间形成用于容纳右端被动阻尼的右凹槽。11.进一步地，左前压电陶瓷和左后压电陶瓷中的一块的极化方向为z轴正方向，另一块为z轴负方向，左前压电陶瓷和左后压电陶瓷的施加交变电场的正方向均为x轴正方向，均工作在扭转振动模式，左前压电陶瓷和左后压电陶瓷的扭转振动的幅值相同，相位相差180度。12.进一步地，左端激振压电陶瓷组的扭转振动通过左凸出结构传递给金属弹性体，使金属弹性体前后侧发生振型相同，方向相反的弯振，进而使得前凸出部和后凸出部呈上下交替运动，运动方向相反，从而右端被动阻尼发生剪切形变，将入射行波能量通过阻尼进行消耗，减少反射波含量，从而在金属弹性体内前后侧分别产生由左向右单向传递的行波分量，两个行波分量相位互差180度。13.进一步地，通过调节左前压电陶瓷和左后压电陶瓷两块激振压电陶瓷激励电压的幅值大小，改变定子前后两列行波的行波分量大小，从而该单端激励的自走式行波型直线超声波电机实现前半侧或向后半侧转弯。14.进一步地，该单端激励的自走式行波型直线超声波电机实现向后半侧方向转弯，具体为，通过减少左后压电陶瓷的电压幅值，左后压电陶瓷的扭振振幅将减少，进而金属弹性体后半部振幅将减少，进而后半部行波分量振幅也将减少，此时金属弹性体的后半部行波分量振幅小于前半部行波分量振幅，金属弹性体将向后半侧方向转向。15.进一步地，该单端激励的自走式行波型直线超声波电机实现向前半侧方向转弯，具体为，减少左前压电陶瓷的电压幅值，左前压电陶瓷的扭振振幅将减少，进而金属弹性体前半部振幅将减少，进而前半部行波分量也将减少，此时金属弹性体的前半部行波分量振幅小于后半部行波分量振幅，金属弹性体将向前半侧方向转向。16.发明的有益效果是：17.一、该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，采用单端激振，并利用被动阻尼在定子右端通过能量耗散的方式吸收反射行波的直线超声电机结构，其边界自由，激励方式简单，具有结构简单紧凑，易于加工的特点。18.二、本发明的单端激励的自走式行波型直线超声波电机，激励方式简单，仅需两块同型号工作于扭振状态的压电陶瓷以及一个交流电源就可实现激励，且无需外部提供固定或支撑，其激振结构和供电电路简单紧凑。19.三、该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，耗能方式简单，通过金属弹性体b(3,1)振型具有前半部振动和后半部振动互差180度时间相位的特点，直接通过右凸出结构带动右端被动阻尼剪切形变，实现能量耗散，且该耗能方式也无需外部提供固定或支撑。20.四、本发明的单端激励的自走式行波型直线超声波电机，分别调节左前压电陶瓷和左后压电陶瓷两片压电陶瓷施加的电压幅值时，定子弹性体前半部和后半部的行波分量亦会变化，改变两者的比值可以实现转向控制。附图说明21.图1是本发明实施例单端激励的自走式行波型直线超声波电机的结构示意图。22.图2是实施例中左后压电陶瓷布置方案的说明示意图，其中：1l、2l、3l、4l、5l、6l-左后端压电陶瓷六个自由度方向，xyz-空间坐标系，e-施加电场方向，p-陶瓷极化方向。23.图3是实施例中左前压电陶瓷布置方案的说明示意图，其中：1l、2l、3l、4l、5l、6l-左前压电陶瓷六个自由度方向，xyz-空间坐标系，e-施加电场方向，p-陶瓷极化方向。24.图4是实施例单端激励的自走式行波型直线超声波电机前半周期振动波型产生机理图，其中：p-陶瓷极化方向，e-施加电场方向，v-行波传播方向。25.图5是实施例单端激励的自走式行波型直线超声波电机后半周期振动波型产生机理图，其中：p-陶瓷极化方向，e-施加电场方向，v-行波传播方向。26.图6是实施例单端激励的自走式行波型直线超声波电机中金属弹性体内质点运动轨迹形成原理说明示意图；其中，t1-第一个四分之一周期时金属弹性体中性线位移，t2-第二个四分之一周期时金属弹性体中性线位移，t3-第三个四分之一周期时金属弹性体中性线位移，t4-第四个四分之一周期时金属弹性体中性线位移。27.图7是实施例中前排驱动齿椭圆轨迹的产生说明示意图；其中，t1和t3时z轴方向位移为0且x轴方向位移最大，t2和t4时z轴方向位移最大且x轴方向位移为0。28.图1-图7中：1-左后压电陶瓷，2-左前压电陶瓷，3-弹性体中部，4-驱动齿组，5-右端被动阻尼，6-左凸出结构，7-右凸出结构，8-金属弹性体中性线，9-齿槽；29.41-前排驱动齿，42-后排驱动齿；30.61-上凸出部，62-下凸出部；31.71-前凸出部，72-后凸出部。具体实施方式32.下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。33.实施例34.一种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，如图1，包括定子，定子包括金属弹性体、左端激振压电陶瓷组、右端被动阻尼6和若干驱动齿组4，左端激振压电陶瓷组包括左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2，金属弹性体采用薄板型金属弹性体，金属弹性体包括弹性体中部3、左凸出结构6和右凸出结构7，弹性体中部3的两端分别设有左凸出结构6和右凸出结构7，左凸出结构6内并排设有左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2，右凸出结构7内设有右端被动阻尼6，弹性体中部3的上表面间隔设有若干驱动齿组4，驱动齿组4包括前排驱动齿41和后排驱动齿42，前排驱动齿41和后排驱动齿42分别设于弹性体中部3的上表面前后两侧。35.该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，与传统的行波型直线超声电机相比，端部边界自由，具有体积更小、结构紧凑、易于加工生产，并可以进一步通过输入电压的幅值控制使其实现转向控制。36.如图1，弹性体中部3设有若干齿槽9，齿槽9设于相邻的驱动齿组4间。同一侧的前排驱动齿41间、后排驱动齿42两两之间开有齿槽9，齿槽9可以在增加电机上下对称性的同时放大定子表面质点振幅。左凸出结构6包括上凸出部61和下凸出部62，上凸出部61和下凸出部62分别设于弹性体中部3的左端的上下两侧，上凸出部61和下凸出部62间形成用于容纳左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2的左凹槽。如图2，右凸出结构7包括前凸出部71和后凸出部72，前凸出部71和后凸出部72分别设于弹性体中部3的右端的前后两侧，前凸出部71和后凸出部72间形成用于容纳右端被动阻尼6的右凹槽。37.该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2分别粘结在左凸出结构6形成的左凹槽内，右端被动阻尼6粘结在右凸出结构7形成的右凹槽内。在金属弹性体左端粘贴左端激振压电陶瓷组，利用左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2的d15扭转振动模式以及右端被动阻尼6通过能量耗散对反射波的吸收作用在金属弹性体中产生行波。38.该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机中，金属弹性体采用一侧带齿槽9的薄板型金属弹性体，金属弹性体包括弹性体中部3、左凸出结构6和右凸出结构7，弹性体中部3的两端分别设有伸出的左凸出结构6和右凸出结构7，其中左凸出结构6的上凸出部61和下凸出部62紧挨金属弹性体的上、下表面，呈水平排布；右凸出结构7的前凸出部71和后凸出部72紧挨金属弹性体的前、后表面，呈竖直排布，弹性体中部3的上表面前后两侧分别设有多个前排驱动齿41和后排驱动齿42。39.如图2和图3，左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2中的一块的极化方向为z轴正方向，另一块为z轴负方向，左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2的施加交变电场的正方向均为x轴正方向，均工作在扭转振动模式，左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2的扭转振动的幅值相同，相位相差180度。40.左端激振压电陶瓷组的扭转振动通过左凸出结构6传递给金属弹性体，使金属弹性体前后侧发生振型相同，方向相反的弯振，进而使得前凸出部71和后凸出部72呈上下交替运动，运动方向相反，从而右端阻尼材料发生剪切形变，将入射行波能量通过阻尼进行消耗，减少反射波含量，从而在金属弹性体内前后侧分别产生由左向右单向传递的行波分量，两个行波分量相位互差180度。41.如图2，金属弹性体的左后压电陶瓷1处于空间笛卡尔坐标系xyz中，极化方向为3l自由度正方向，施加电场方向为1l自由度正方向，此时陶瓷形变如图2中虚线所示，为5l自由度正方向。42.如图3，金属弹性体的左前压电陶瓷2处于空间笛卡尔坐标系xyz中，极化方向为3l自由度负方向，施加电场方向为1l自由度正方向，此时陶瓷形变如图3中虚线所示，为5l自由度反方向。43.左后压电陶瓷1、左前压电陶瓷2在同一交变电场作用下扭转方向始终相反，进而驱动金属弹性体的前凸出部71和后凸出部72同时在相反方向振动，在金属弹性体内形成b(3,1)振型。44.该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，耗能方式简单，通过金属弹性体b(3,1)振型具有前半部振动和后半部振动互差180度时间相位的特点，直接通过右凸出结构7带动右端被动阻尼6剪切形变，实现能量耗散，且该耗能方式也无需外部提供固定或支撑。45.如图4，对左端压电陶瓷组施加交流正弦电压，在前半周期电场方向为x轴正方向，此时，左后压电陶瓷1上扭，左前压电陶瓷2下扭，分别带动金属弹性体的后侧和前侧发生空间相位互差180度的向右行波分量。右端被动阻尼6在右凸出结构7的带动下前侧向上运动，后侧向下运动，产生剪切形变，吸收能量，减少反射波分量，金属弹性体中主要为行波分量，该行波分量向右传播。46.如图5，对左端压电陶瓷组施加交流正弦电压，在后半周期电场方向为x轴负方向，此时，左后压电陶瓷1下扭，左前压电陶瓷2上扭，分别带动金属弹性体的后侧和前侧发生空间相位互差180度的向右行波分量。右端被动阻尼6在右凸出结构7的带动下前侧向下运动，后侧向上运动，产生剪切形变，吸收能量，减少反射波分量，金属弹性体中主要为行波分量，该行波分量向右传播。47.结合附图6，该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机驱动齿运动机理如下：48.该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机中，向左后压电陶瓷1、左前压电陶瓷2分别施加幅值相同，相位互差180°的正弦交流电，左后压电陶瓷1、左前压电陶瓷2的扭转振动通过金属弹性体的左凸出结构6传递给整个定子的金属弹性体，使金属弹性体发生弯振，并且通过右凸出结构7带动右端阻尼材料产生垂直剪切形变，通过能量耗散减少反射行波，从而在金属弹性体内产生行波，如图6，金属弹性体初始状态(t＝0时)的中性线位置为金属弹性体中性线8。49.如图6和图7，将电机一整个运动周期中的行波传递过程均匀分为四个阶段，分别为t1、t2、t3、t4，它们之间依次相差90°时间相位，其中，t1和t3时z轴方向位移为0且x轴方向位移最大，t2和t4时z轴方向位移最大且x轴方向位移为0。随着时间延迟，在t1、t2、t3、t4时刻波形依次向右传递，各波形在空间上依次相差90°空间相位，各时刻金属弹性体3中性点的位移如图6虚线所示。50.以图6中前排n点位置处质点为例，其轨迹如图7所示，在t1～t2阶段，该处前排驱动齿41从t1位置沿椭圆弧线向上向左逐渐移动到t2位置处；在t2～t3阶段，前排驱动齿41从t2位置沿椭圆弧线向下向左逐渐移动到t3位置处；在t3～t4阶段，前排驱动齿41从t3位置沿椭圆弧线向下向右逐渐移动到t4位置处；在t4～t1阶段，前排驱动齿41从t4位置沿椭圆弧线向上向右逐渐回到t1位置处，因此，一个周期内前排驱动齿41最终在x-o-z平面形成了逆时针的椭圆轨迹运动，椭圆端部在顶部(t2时刻附近)x轴切线方向运动轨迹向左，与行波传递方向相反。定子表面的驱动齿作为位移放大机构，配合金属弹性体3上表面的驱动齿可以进一步放大振幅。51.定子表面的驱动齿组4作为位移放大机构，配合金属弹性体上表面的齿槽9可以进一步放大振幅，并且减小由于增加驱动齿组4后带来的电机质量和等效厚度的增加，减小齿对弹性体弯曲振动的影响。52.综上，金属弹性体中主要波形始终为向右传播的行波分量。驱动齿组4表面质点运动方向与行波传递方向相反，与接触面间产生摩擦力。当电机自由行走时，摩擦力将使金属弹性体往右作直线运动；当电机用以驱动外部负载时，摩擦力将驱动外部负载往左作直线运动。53.该单端激励的自走式行波型直线超声波电机，通过调节左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2两块激振压电陶瓷激励电压的幅值大小，改变定子前后两列行波的行波分量大小，实现向前半侧或向后半侧转弯。54.当单独改变左后压电陶瓷1和左前压电陶瓷2中一片激振压电陶瓷的电压幅值，可以实现转向控制。当减少左后压电陶瓷1的电压幅值时，左后压电陶瓷1的扭振振幅将减少，进而金属弹性体3的后半部振幅将减少，进而后半部行波分量也将减少，此时金属弹性体3的后半部行波分量振幅小于前半部行波分量振幅，金属弹性体3将向后半侧方向转向。当减少左前压电陶瓷2的电压幅值，左前压电陶瓷2的扭振振幅将减少，进而金属弹性体3的前半部振幅将减少，进而前半部行波分量也将减少，此时金属弹性体3的前半部行波分量振幅小于后半部行波分量振幅，金属弹性体3将向前半侧方向转向。因为前半侧与后半侧行波分量振幅不一样，所以可以实现转向控制。55.该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，为单模态电机，金属弹性体采用矩形薄板状金属弹性体，弹性体中部3上侧开有数个齿槽9，弹性体中部3的两端分别设有伸出左凸出结构6和右凸出结构7，左端激振压电陶瓷组分别与左凸出结构6的左凹槽紧密粘结，右凸出结构7中粘结有阻尼材料作为右端被动阻尼6，金属弹性体上表面布置有两排齿状结构为驱动齿组4，驱动齿组4作为位移放大机构放大定子表面椭圆轨迹运动。与传统的行波直线型超声波电机相比，该种单端激励的自走式行波型直线超声波电机，结构紧凑，便于加工，易于控制，适合小型精密装置的驱动，且该电机能够实现转弯控制。56.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。









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