慣性式中型結構的直線壓電電機及其控制方法技術

本發(fā)明專利技術公開了一種慣性式中型結構的直線壓電電機及其控制方法，該直線壓電電機包括桿狀動子、環(huán)形定子、壓電陶瓷片，所述環(huán)形定子包括第一橫板、第二橫板，第一橫板、第二橫板的同側端部之間均通過一彈片連接，且第一橫板的中部位置開設導向孔，而第二橫板則通過縱向切縫分割成兩塊陶瓷片安裝板，每一塊陶瓷片安裝板的外側表面均粘接有一片壓電陶瓷片，且兩塊陶瓷片安裝板的切面在中部位置均開設有一個內凹的弧形定子夾持槽，該弧形定子夾持槽的弧面與動子的外圓面相適配；所述動子的一端依次穿過導向孔、弧形定子夾持槽設置，每一片壓電陶瓷片均與相應的激勵電源連接。由此可知，本發(fā)明專利技術具有結構簡單、部件微小、運行穩(wěn)定、定位精確、運動分辨率高、成本較低的優(yōu)點。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
慣性式中型結構的直線壓電電機及其控制方法
本專利技術涉及一種慣性式壓電直線電機及其控制方法，屬于壓電精密致動

技術介紹
壓電直線電機技術作為新興的精密驅動技術，因其短小輕薄的外形特征和易于集成等突出優(yōu)勢得到了國內乃至全世界的廣泛關注。壓電陶瓷的逆壓電效應可將電能轉化為機械能，據(jù)此效應設計的作動器具有結構簡單，電磁兼容性好和響應快等特點。慣性式電機是一種利用壓電陶瓷的快速變形產生的慣性沖擊來實現(xiàn)微位移的微型驅動機構，它具有很多優(yōu)勢，如：運動范圍大，分辨率能達到納米級，結構簡單，部件可被微小化，并能在步進運動的同時實現(xiàn)精確定位等。利用壓電元件動態(tài)特性的慣性沖擊式驅動器在精密驅動領域已經發(fā)展為一項獨特的驅動型式，得到了廣泛的研究與應用。然而就目前的對慣性式壓電直線電機研究技術還有一些不足，如：電機部件的微小化并未完全得到實現(xiàn)，定位精確的電機結構較為復雜，運動的分辨率不高，并且普遍采用作為驅動元件的壓電疊堆抗拉力弱，結構限制不能連接質量較大的慣性塊，驅動能力受到限制，成本較高。
技術實現(xiàn)思路
本專利技術針對現(xiàn)有技術的不足，提出一種慣性式的壓電直線電機，其具有結構簡單、部件微小、運行穩(wěn)定、定位精確、運動分辨率高、成本較低的優(yōu)點。為實現(xiàn)以上的技術目的，本專利技術將采取以下的技術方案：一種慣性式中型結構的直線壓電電機，包括動子以及壓電復合振子，該壓電復合振子包括定子以及壓電陶瓷片，所述的動子呈桿狀，而定子呈環(huán)形設置，所述環(huán)形定子包括兩塊相互平行設置的橫板，分別為第一橫板、第二橫板，所述的第一橫板、第二橫板的同側端部之間均通過一彈片連接，且第一橫板的中部位置開設有一個與動子外圓面匹配的導向孔，而第二橫板則通過中部位置所開設的縱向切縫分割成兩塊相對設置的陶瓷片安裝板，每一塊陶瓷片安裝板的外側表面均粘接有一片壓電陶瓷片，且兩塊陶瓷片安裝板的切面在中部位置均開設有一個內凹的弧形定子夾持槽，該弧形定子夾持槽的弧面與動子的外圓面相適配；所述動子穿過導向孔設置，并通過兩塊陶瓷片安裝板上的弧形定子夾持槽夾持；每一片壓電陶瓷片均與相應的激勵電源連接。作為本專利技術的進一步改進，兩塊陶瓷片安裝板上所粘接的壓電陶瓷片的極化方向、作動方向一致作為本專利技術的進一步改進，彈片包括片狀主體以及連接在片狀主體兩端的弧形銜接片。作為本專利技術的進一步改進，所述彈片為金屬材質。作為本專利技術的進一步改進，所述激勵電源為慢升快降的三角波電壓信號；該三角波電壓信號在0至的一個周期內分為兩個過程，其中0至為上升信號段，至為下降信號段，并且本專利技術的另一技術目的是提供一種上述慣性式中型結構的直線壓電電機的控制方法，將兩塊陶瓷片安裝板上所粘接的壓電陶瓷片分別與同頻、同向、同型的三角波激勵信號連接；當給兩塊陶瓷片安裝板上所粘接的壓電陶瓷片施加慢升電信號時，激勵壓電復合振子產生彎曲模態(tài)，并選擇陶瓷片安裝板的面外二階彎振作為工作模態(tài)，此時壓電復合振子在弧形定子夾持槽處對動子施加夾持力，壓電復合振子將鎖住并抱緊圓桿，圓桿由于摩擦力作用將會隨著壓電復合振子的向前彎曲而向前直線運動；而當慢升電信號施加到最大值時，瞬間轉換為快降電信號，壓電復合振子將快速從彎曲狀態(tài)恢復至原來的平衡位置，此時，動子自身慣性力的作用克服了壓電復合振子回復運動產生的摩擦力，促使動子繼續(xù)保持向前直線運動的狀態(tài)；當快降電信號快速回復至0，下一個周期的慢升電信號又開始激勵，重復上述的激勵過程，動子始終保持向前的直線運動。根據(jù)以上的技術方案，相對于現(xiàn)有技術，本專利技術具有以下的優(yōu)點：1.本專利技術所述的壓電電機各部件結構簡單，加工難度小，連接方便，可以實現(xiàn)批量生產；2.本專利技術的壓電元件采用壓電陶瓷，克服了普遍的作為慣性驅動元件的壓電疊堆抗拉力弱，不能連接較大質量塊的缺點，在實現(xiàn)步進的同時精度也較高，成本較低；3.本專利技術的作動定子部分將傳統(tǒng)壓電電機中的定子部分與導向裝置部分連接在了一起，大大增加了空間利用率，實現(xiàn)了電機整體的小型化。4.本專利技術在所有壓電陶瓷上均施加了電壓慢升快降的三角波電壓信號，驅動方式較為簡單，避免了復雜的驅動形式。附圖說明圖1是慣性式壓電超聲電機的整體結構示意圖；圖2是圖1中的環(huán)狀定子的示意圖；圖3是鋸齒波信號示意圖；圖4是慣性式壓電超聲電機的直線運動原理示意圖；其中：動子1；定子2；橫板21；導向孔210；彈片22；陶瓷片安裝板23；弧形定子夾持槽231；壓電陶瓷片3；運動方向4；壓電復合振子5。具體實施方式以下將結合附圖詳細地說明本專利技術的技術方案。如圖1和圖2所示，本專利技術所述的慣性式中型結構的直線壓電電機，包括動子1以及壓電復合振子，該壓電復合振子5包括定子2以及壓電陶瓷片3，所述的動子1呈桿狀，而定子2呈環(huán)形設置，所述環(huán)形定子包括兩塊相互平行設置的橫板21，分別為第一橫板、第二橫板，所述的第一橫板、第二橫板的同側端部之間均通過一彈片22連接，彈片22包括片狀主體以及連接在片狀主體兩端的弧形銜接片；并采用金屬材質制成；且第一橫板的中部位置開設有一個與動子外圓面匹配的導向孔210，而第二橫板則通過中部位置所開設的縱向切縫分割成兩塊相對設置的陶瓷片安裝板23，每一塊陶瓷片安裝板23的外側表面均粘接有一片壓電陶瓷片3，且兩塊陶瓷片安裝板23的切面在中部位置均開設有一個內凹的弧形定子夾持槽231，該弧形定子夾持槽231的弧面與動子的外圓面相適配；所述動子1的一端依次穿過導向孔210、弧形定子夾持槽231設置，并通過兩塊陶瓷片安裝板上的弧形定子夾持槽夾持，每一片壓電陶瓷片3均與相應的激勵電源連接；因此，本專利技術所述動子、定子、壓電陶瓷片具有如下特點：1.動子采用細圓柱桿結構，定子為環(huán)形結構；2.定子集成了動子的導向部分（導向孔、弧形定子夾持槽），動子的作動方向由中通導向孔與弧形定子夾持槽決定；弧形定子夾持槽用于夾持動子，通過定子（彈片）金屬材料的彈性提供夾持力；3.壓電陶瓷片為兩片，位置對稱；4.利用壓電復合振子本身的彈性，施加陶瓷片安裝板與動子之間的預壓力，使得動子的外圓與弧形定子夾持槽的弧面相觸；5.激勵電源采用慢升快降的鋸齒波電壓信號或者三角波電壓信號。圖3、圖4為定子與動子運動的示意圖，圖3為一種常用的驅動電信號：三角波；其中：正向三角波信號在0至的一個周期內分為兩個過程，其中0至為上升信號段，至為下降信號段，并且所述兩片壓電陶瓷片3的極化方式與作動方向4相同，且其連接有相同的電壓信號，即電壓慢升快降的三角波信號（如圖3所示）。當對壓電陶瓷片3施加電壓慢升的信號時，將激勵作動定子和壓電陶瓷片組成的復合壓電振子產生彎曲模態(tài)。為了激勵復合壓電振子的弧形槽處的振幅最大，選擇作動定子一側兩個矩形面的面外二階彎振作為工作模態(tài)；當同時施加慢升電信號時，復合壓電振子產生彎曲，此時弧形槽處的振幅最大，且復合壓電振子的側邊矩形板的彎曲方向一致。由于作動定子材料的彈性，在弧形槽處施加夾持力，此時由于摩擦力圓桿將會隨著復合壓電振子的向前彎曲而向前直線運動，由于此時是靜摩擦力起作用，所以復合壓電振子將鎖住并抱緊圓桿；而當慢升電信號施加大最大值時，瞬間轉換為快降電信號，陶瓷片兩端電壓迅速恢復零電壓，壓電陶瓷片迅速恢復初始形狀，壓電陶瓷片3帶動所述定子2快速回復初始形狀，此時所述動子由于慣性，來不及沿作動方向的反方向回復，使定子2本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種慣性式中型結構的直線壓電電機，包括動子以及壓電復合振子，其特征在于，所述的壓電復合振子包括定子以及壓電陶瓷片；動子呈桿狀，而定子呈環(huán)形設置，所述環(huán)形定子包括兩塊相互平行設置的橫板，分別為第一橫板、第二橫板，所述的第一橫板、第二橫板的同側端部之間均通過一彈片連接，且第一橫板的中部位置開設有一個與動子外圓面匹配的導向孔，而第二橫板則通過中部位置所開設的縱向切縫分割成兩塊相對設置的陶瓷片安裝板，每一塊陶瓷片安裝板的外側表面均粘接有一片壓電陶瓷片，且兩塊陶瓷片安裝板的切面在中部位置均開設有一個內凹的弧形定子夾持槽，該弧形定子夾持槽的弧面與動子的外圓面相適配；所述動子穿過導向孔設置，并通過兩塊陶瓷片安裝板上的弧形定子夾持槽夾持；每一片壓電陶瓷片均與相應的激勵電源連接。

【技術特征摘要】
1.一種慣性式中型結構的直線壓電電機，包括動子以及壓電復合振子，其特征在于，所述的壓電復合振子包括定子以及壓電陶瓷片；動子呈桿狀，而定子呈環(huán)形設置，所述環(huán)形定子包括兩塊相互平行設置的橫板，分別為第一橫板、第二橫板，所述的第一橫板、第二橫板的同側端部之間均通過一彈片連接，且第一橫板的中部位置開設有一個與動子外圓面匹配的導向孔，而第二橫板則通過中部位置所開設的縱向切縫分割成兩塊相對設置的陶瓷片安裝板，每一塊陶瓷片安裝板的外側表面均粘接有一片壓電陶瓷片，且兩塊陶瓷片安裝板的切面在中部位置均開設有一個內凹的弧形定子夾持槽，該弧形定子夾持槽的弧面與動子的外圓面相適配；所述動子穿過導向孔設置，并通過兩塊陶瓷片安裝板上的弧形定子夾持槽夾持；每一片壓電陶瓷片均與相應的激勵電源連接。2.根據(jù)權利要求1所述慣性式中型結構的直線壓電電機，其特征在于，兩塊陶瓷片安裝板上所粘接的壓電陶瓷片的極化方向、作動方向一致。3.根據(jù)權利要求1或2所述慣性式中型結構的直線壓電電機，其特征在于，彈片包括片狀主體以及連接在片狀主體兩端的弧形銜接片。4.根據(jù)權利要求3所述慣性式中型結構的直線壓電電機，其特征在于，所述彈...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：趙淳生，皮奧特爾·瓦西爾耶夫，孫夢馨，楊穎，王亮，王寅，謝爾蓋·鮑羅廷，達柳斯·馬澤卡，
申請(專利權)人：南京航空航天大學，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32