单相p型直线超声电机的设计研究

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1、单相P型直线超声电机的设计研究#蔡宇翔，李朝东**（上海大学机电工程与自动化学院，上海200072）5摘要：针对双相压电直线超声电机所存在的某些应用上的不便，提出了一种单相驱动的直线超声电机。研究了电机的驱动机理，建立了定子的有限元模型并对其工作模态进行了分析；优化了定子的结构并制作了电机的实物并对其进行了测试。测试结果表明，电机的双向运行性能良好，有利于微型化。关键词：单相驱动；压电；直线超声电机；双向运动；微型化；中图分类号：TM359.410TheResearchofSinglePhaseDrivenPTypeLinearUltrasonicMotorCAIYuxiang,LICh

2、aodong(SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,1520253035China)Abstract:Sincethedeficiencyofcurrentdoublephasesdrivenlinearultrasonicmotorintheirapplication,wepresentanewkindofsinglephasedrivenlinearultrasonicmotor.Thispapergivesitsdrivingprinciple,FEMmodeland

3、theanalysisofworkingmodal.Weoptimizeditsstructureandmadethesample.Testresultshowsthatithasagoodperformanceofbi-directionmove,favorabletominiaturization.Keywords:SinglePhase;Piezoelectric;LinearUltrasonicMotor;Bi-directionMove;Miniaturization;0引言直线型超声电机由定子和动子组成。定子是电能导入部分，由定子弹性体和压电陶瓷组成，也称之为振子。动子是机械运动

4、输出部分，由直线导轨及其外围封装结构组成。直线型超声电机是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的超声振动，通过定子和动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成动子宏观的直线运动，直接推动负载。它具有直接产生直线运动，运动精度高，结构简单，设计灵活等优点，近年来在微小型精密驱动系统中有代替电磁型微型电机之势[1]。根据激励信号数目的不同，直线超声电机可以分为单相驱动和多相驱动(主要是双相)。对于多相驱动而言，通常需要定子表面质点形成椭圆轨迹才能驱动超声电机的工作。多相驱动的超声电机种类很多，如行波型超声电机、双夹心振子式超声电机、π型或H型超声电机等[2]。然而多相驱动的超声电机结构相对复杂，激

5、励时需要相位差为90°的激励信号且需要多路独立功放，在改变电机运动方向时需要控制相位差，因而造成其驱动电路较复杂。另外多相驱动的电机需要在相互简并的耦合模态下工作，在工作时由于预压力的作用和定子发热等影响容易造成工作频率漂移而失去简并[3]，因此工作易于不稳定，从而影响了其实际应用。解决上述多相驱动存在的应用不便的方法是采用单相驱动。单相驱动方式的轨迹为理论斜直线。与多相驱动方式相比，单相驱动具有振子结构设计简单、驱动电路简单等特点，又基金项目：高校博士点基金（20103108110009）作者简介：蔡宇翔，男，硕士研究生，主要研究方向：直线超声电机通信联系人：李朝东（1960年—），男，教

6、授，主要研究方向：直线微电机和嵌入式直接驱动技术、机器人技术、结构动力学与优化设计、虚拟现实中触觉显示终端设计与应用等.E-mail:cdli@staff.shu.edu.cn-1-404550556065有易于成本化和微型化等优点，因而单相驱动的直线超声电机近年来越来越受到关注。单相驱动设计的要点是如何实现电机的双向运动输出，也就是说如何换向。目前实现单相电机双向运动主要有轮换激发压电片和切换振动模态两种方式。轮换激发压电片方式的单相电机通常为对称结构，驱动足位于对称中心线上，电机仅靠单侧压电片激发使驱动足产生斜直线运动，改变压电片的激励侧便能实现驱动足的反向运动。该类电机如2005年

7、德国的OleksiyVyshnevskyy等人研制的单模态矩形板直线超声电机[4]，2009年台湾成功大学Shih-WeiHsiao等研制的利用d15剪切模态工作的立方体振子[2]，2013年日本的KeijiYokoyama等研制的单相双矩形板连接直线超声电机[3]。切换振动模态的单相直线电机其主要工作方式为在两个不同频率的模态下其驱动足运动方向相反，从而实现电机的双向运动。该类电机如2007年瑞士的Mark