轮式结构直线超声电机的设计

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1、轮式结构直线超声电机的设计周凤拯，金家楣，姚志远，周培(南京航空航天大学精密驱动研究所，江苏南京210016)摘要：首次提出一种新型结构的直线超声电机，该电机定子为圆柱结构，阐述了该电机基本结构和产生直线运动的驱动原理，利用有限元法设计了电机，并制造了样机，扫频和实验等证明了理论分析和设计的正确性。实验测得电机的响应时间为最大推力为5．5N、速度为103mm／s、效率为33％。关键词：直线型超声电机；有限元法；双驱动足0引言利用压电陶瓷的逆压电效应实现电能到机械能的转换的超声电机教传统电磁式电机具有很多的优点【l】。直线型超声电机除了具有超声

2、电机的一般特点外，由于其直接实现直线运动，具有电磁电机无法匹敌的优势，受到广泛的关注12】。作为控制系统的执行元件在半导体工业、精密仪器、航空航天、医疗、机器人等高新技术领域具有广阔的应用前景。目前直线型超声电机可分为接触型和非接触型，其中接触型可分为共振型和非共振型。共振型直线超声电机依靠定子表面质点椭圆运动驱动动子。这个椭圆运动一般需要空间上的两个方向的同频振动以一定的相位差合成。两个方向的振动可利用定子的两个不同的模态或者两个同形模态，如：基于薄板面内振动直线超声电机的研究【3】、双足型直线超声电机的设计及实验【4】、一种多定子直线超声

3、电机的研究pj，为具有两个不同工作模态的直线超声电机；高输出力直线超声电机的新型应用【6j、新型直线超声电机在精密机械系统的应用【7】，为具有两个同形模态的直线超声电机。比较而言，两个同形模态在实践中更容易达到频率一致性的要求。董蜀湘提出了一种新型圆柱结构的直线超声№J，该电机采用单晶的压电陶瓷激发工作模态，电机的最大推力为0．2N；但其采用单足驱动，这使得定子在一个工作周期内仅有一次推动动子做功，本文在此基础上提出了一种新型结构的直线超声电机，它的定子采用圆柱和双驱动足结构，利用压电陶瓷d33效应来激发定子振动。双驱动足使定子在一个工作周期

4、内有两次推动动子做功，提高了电机的输出力和工作效率，实验测得电机的输出力为5．5N、速度103mm／s、效率为33％。1工作原理本文直线超声电机为圆柱双驱动足结构，定予的工作模态采用两个同形的四阶弯曲振动。图la中四阶弯曲振动在YZ平面内，图lb中四阶弯曲振动在XZ平面内，有限元分析得定子存在两个同形相互正交的四阶固有振动。通过一定方式激发出这两个同形正交的弯曲振动，两个固有的振动共同作用使得定子绕圆柱中心轴作回转运动。定子驱动足的椭圆轨迹是直线超声电机的关键，由上分析，两个弯曲振动为同形弯曲振动，他们相位上相差900，当激发定子振动的外激励

5、相位差是900时，定子两个相互正交的四阶固有弯曲振动被激发，两个同形振动相互叠加形成驱动足的圆运动轨迹，圆运动轨迹为椭圆轨迹的一．．155．．嘲l定子四阶弯曲振动的振型种特倒，定子和动子以～定的预压力相互接触，在摩擦力的作用刚l动足推动动子运动。图2描述了电机的运彳亍的原理，圈2中(II)、(III)、(IV)、(V)是电机在～个周期内的四个位置。图2电机运行原理圈(1)电机处于不工作时的状态。(1I)驱动足B在MM正向到达堆丈位移，驱动足A在MM负向§U达最大位移；此时定子在MM方向』二速度为0，在NN方向上振动速度达到最大；图2(II)驱

6、动足B在NN方向上振动速度在水平方向上有分量．在定子的作用下动子向右运动。(1id驱动足B在NN正向到达最大位移．驱动足A在NN负向到达最太位移；此时定予在NN方向上速度为0，在MM方向上振动速度达到最大：图2(1id驱动足B在MM方向上振动速度在水平方向上有分量，在定子的作用下动子向右运动。(IV)驱动足A在MM正向到达最大位移，驱动足B在MM负向到达屉大位移；此时定予在MM方向上速度为0，在NN方向上振动速度选到蛀大；凰2(IV)驱动足A在NN方向上振动速度在水平方向上有分量．在定子的作用下动子向右运动。(V)驱动足A在NN正向到达最大位

7、移，驱动足B在NN负向到达最大位移；此时定子在NN方向上速度为0，在MM方向上振动速度达到最大；凰2(V)驱动足A在MM方向上振动速度在水平方向E有分量，在定子的作用下动子向右运动。圈2中的(Ⅱ)、(Ⅲ)、(IV)和(v)为～个运动周期，定予在压电陶瓷作用下位移是微米级．动予在定子作用F的位移也根小．当给压电陶瓷施加连续的电信号时，定于将(t1)．(111)．(IV)一(v)-in)过程重复运动，宏观上体现在电机向右运行。当激发定子的外激励的相位差为图2种的相反数是，动子在定予作用将作反向运动。由图2可以发艇．定于振动的单周期内两个驱动足相位

8、麓为180。，说明孽周期内定子对动了两次做功，这有望提高电机的运行效率。2电机设计定予结构如图3所石；，它的构成是阶梯豳柱体、四维压电陶瓷，婀个压块、两个支撑、两个