直线型非接触式超声波电机

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1、直线型非接触式超声波电机孙运涛，陈超(南京航空航天大学，江苏南京210016)摘要：非接触式超声波电机是20世纪90年代由日本学者首先开始研究的一种新型超声波电机，由于驱动机理的不同，与传统的超声波电机相比，非接触式超声波电机的定动子不直接接触，避免了摩擦损耗，寿命长，理论上可以实现更大的速度。近声场作用方式，通常被称作NFAL(Near-FiddAcousticLevitation)，被悬浮物体的高度在几十到几百微米间，它与通常利用驻波远声场的悬浮现象有根本的区别。对非接触式直线型超声波电机的定子——压电换能器进行了分析和结构设计，并对压电换能器样机进行了模态实验，获得相关的动态特性参

2、数；成功制造出了基于NFAL的非接触式直线型超声波电机，实验结果表明，该样机动子重量为59时，在峰峰值300V的激励电压下，速度可达到84mm／s。关键词：声悬浮；近声场作用；压电换能器：超声波电机0前言非接触式超声波电机是20世纪90年代由日本学者首先开始研究的一种新型超声波电机，由于驱动机理的不同，与传统的超声波电机相比，非接触式超声波电机的定动子不直接接触，避免了摩擦损耗，寿命长，理论上可以实现更大的速度。从结构上分，非接触式超声波电机主要有圆筒型、圆盘型和直线型。日本山形大学铃木胜义教授研制的圆筒型非接触超声波电机，依靠压电陶瓷激发不锈钢圆筒产生声辐射压力来推动内部硬纸板动子转动

3、；日本山形大学的广濑精二研制了基于声辐射压力的圆盘型非接触式超声波电机¨J。东京工业大学的中村健太郎、胡俊辉、上羽贞行等人的课题组研制了基于近声场作用的平板式非接触超声波电机睇J，并开展了实验研究。国内在非接触式超声波电机方面，主要针对圆筒型或圆盘型的旋转式超声波电机展开了一些研究。吉林工业大学研制了采用了硬铝材质的圆筒结构的非接触式超声波电机ljJ，最高转速为670转／分。上海交通大学研制出利用圆筒特定模态下单相驱动的驻波型非接触式超声波电机，最高转速达到了2026转／分。天津大学进行了利用水或煤油等液体为介质的声流驱动的非接触式超声波电机的实验研列4

4、，阐述了超声振动所产生的能量通过

5、液体传递给动子的机理。南京航空航天大学研制了利用声流驱动的采用圆筒和圆盘型的非接触式超声波电机【2’引，其中圆盘型的非接触式超声波电机最大转速达到603lr／min，实测的堵转力矩为3．5×10一N·m。目前，国内采用近声场作用的非接触式直线型超声波电机尚未见公开报道。本文首先对非接触式直线型超声波电机的核心部分——兰杰文振子进行了分析和设计，在此基础上成功研制出非接触式直线型超声波电机，实现了悬浮动子的直线传输。最后，对近场声悬浮的能力和非接触式超声波电机样机开展了实验研究。1电机驱动机理实现物体悬浮的物理方法有多种，如气动悬浮、电磁悬浮、静电悬浮等，但是近声场悬浮-172．fNear

6、-FieldAcoustic12vitation)相M其它悬浮方式有独特的优势州：对被悬浮物体没有电磁学性质上的特殊要求，也不产生附加效应，原则上可以悬浮任何物质，理论上可达到比远场声悬浮更为可观的悬浮力”1。因此，基于近场声悬浮的直线型电机在上述需要非接触传送物质的场台有着很大的应用潜力。NFAL作用方式与通常的驻波声悬浮现象是不同的。首先．不需要远声场驻波声悬浮技术中用来增强驻波强度的反射器(图1)，而是以待悬浮动子作为反射器：其次，悬浮物与声辐射源距离通常小于^／2。基于NFAL的非接触式超声波电机利用的物理原理既不同于电磁电机的电磁效应，也不同于传统接触式超声波电机的固体一固体间

7、的摩擦，而是固体-流体．固体这种全新的驱动机理，参见图2。图2中电机由两个兰杰文振子型的压电换能器、一根可作弯曲振动平板和待悬浮运送的物体组成。其中，澈振器在馓振点施加简谐激励．在弹性平板中产生行波向前传播，利用位于吸振点处的压电换能器将行波的能量吸收，并将能量消耗在吸收阻抗上，，以防止行波反射。平板上方的物体被振动产生的声辐射压悬浮起来，由流体粘性力驱动物体沿着行波方向运动。}醣一圈I远声场驻波悬浮与NFAL的区别图2平扳式非接触式直线型电机对非接触式直线型超声波电机来说，压电换能器(包括压电激振器和压电吸振器)结构设计是电机研制的关键之一。2压电换髓器结构设计基于近场声悬浮的直线型屯

8、机通过在平板一端激振、并在另一端吸收波动能量防止其反射的方式产生行波。因此，需要两个压电换能器分别作为激振器和吸振器，而且它们共振频率、输出振速等动态特性参数必须接近一致。这里的压电换能器是一种夹心式超声换能器．即兰杰文振子，由首尾两块金属盖板，及放置于中间的压电陶瓷片(通常沿纵向极化)组成。这三部分通过螺栓联接构成，如图3所示。前端盖采用低密度、高拉伸强度的硬铝材料，后端盖采用高密度的钢材料。压电换能器(兰杰文振子)设计完成后，还