基于压电叠层振动的一种直线电机的设计.pdf

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1、机械设计与制造第7期58MachineryDesign&Manufacture2012年7月文章编号：1001—3997(2012)07—0058—03基于压电叠层振动的一种直线电机的设计木电作动器在机械仪表、航空航天、医疗器械、汽车、机器人等都得⋯。’‘一?一^。●．．’。。雎一兰体：叠层变研人员提⋯机利用菱形放大结构将竺考会度鬈：’二1响了电机的稳定性。为此，将设计一种基于压电叠层的非共振状t．IJ。。～’⋯～一”⋯．★来稿日期：2011--09—12★基金项目：国家自然科学基金重点项目(50735002)，盐城工学院面上科研项目(XKY2011016)第7期陈西府

2、等：基于压电叠层振动的一种直线电机的设计的相位差时，就能够在驱动足端部形成椭圆轨迹运动，如图l(a)为此设计了预紧力施加机构。其中主要包括支座、调整螺钉、调整甄示垫块、杠杆等。在施加预紧力时，调整螺钉推动调整垫块，杠杆向下带动驱动足压紧两压电叠层。图2电机定子的主体结构(a)机理模型(b)运行周期改变调整螺钉的旋入量6可调节预紧力的大小。由图2知图1电机的摩擦驱动机理弹性梁的最大挠度∞为：(t)r(f)可表示为：CO=(4)(t)=Xsin(tot+~)(1)x(t)=Ycos(oJt-t,~)(2)式中：块倾角；式中：、y-一、Y方向的微振振幅(1p,m左右)；咖杆总

3、长；旷馓振频率；—拉杆中心到杠杆支点的距离。相位。根据式4，结合材料力学『ll可知预紧力为：由式1和式2可得：=48EID6／dL：tan#(5)2，、2／、式中：、，-弹性梁的弹性模量和惯性矩。+：1(3)X‘Y‘3．2驱动足的结构设计根据压电电机的摩擦驱动机理，给弹簧'，施加适当的预变驱动足包括输出梁、弹性梁、拉杆三部分，如图2所示。输出形，驱动足和动子之间就会存在摩擦驱动所需要的正压力和相对梁具有很大的刚度，可近似为刚体，这样能够保证压电叠层的输运动，这时驱动足推动动子做直线运动。出位移大小不变地作用于动子。一个周期内电机的运动情况，如图l(b)所示。图中阶段1和

4、弹性梁的作用包括两个：2为驱动阶段，阶段3和4为非驱动阶段。其中椭圆表明了不同(1)传递压电叠层所需的预紧力；阶段驱动足的运动状态，向、Y向的箭头表示定子端部运动的分(2)保证压电叠层的位移输出。弹性梁的刚度应该在适当的运动方向。在驱动阶段，驱动足和动子之间存在接触应变，驱动足范围内，因为弹性梁的刚度过大会抑制压电叠层的位移输出；而驱动动子运动；在非驱动阶段，驱动足和动子处于脱离状态，驱动刚度过小不足以提供压电叠层所需要的预紧力。足不对动子产生作用。设计中应保证驱动足和动子在非驱动阶段为此采用有限元对弹性梁的尺寸进行了仿真分析，如图3能够有效脱离，否则动子将会随驱动足做

5、反方向运动。这样动子所示。驱动足的有限元模型，如图3(a)所示。选择驱动足的材料在一个周期内将做往复运动，从而降低了电机系统的性能，直至库为45steel，采用Solid45划分网格，拉杆最下端施加固定约束，电机停止运行。在输出梁的两个斜面施加输出力(以压强形式施加)。驱动足的一3电机定子的结构设计个有限元仿真结果图，如图3(b)所示。改变弹性梁和柔性铰链的尺寸，对水平方向和竖直方向的位移输出进行仿真，按照电机的3．1电机定子的主体结构设计工作特性，要求在lOON时驱动端的输出位移应超过21~m；在预根据电机的工作机理，要求定子具有x,y两个垂直方向的紧力为500N时，

6、弹性梁的变形应小于2Om。经过仿真分析最终位移输出，且相位差为2，设计电机定子主体结构，如图2所确定弹性梁的厚度为1．2ram，柔性铰链的最小厚度为lmm。示。其中压电叠层为某公司生产的PL055．30型，在直流100V电压下，其最大输出位移为2．2p．m，最大输出力大于500N。图2中，压电叠层l和压电叠层2通过驱动足直接压紧。由于压电叠层具有抗压能力强、承受剪切能力差的特点，设计了包括支座、圆柱销、转块、驱动足等的预紧机构。其中转块能够围绕圆柱销转动，这样能够保证驱动足对压电叠层的力始终为垂直于一一压电叠层粘贴面的正压力。(b)只有当压电叠层存在一定的预紧力时才能输

7、出力和位移，图3驱动足的有限元分析No．7机械设计与制造July．20124电机的总体设计与装配4．1电机定子与动子的装配电机样机图，如图4所示。利用底板将电机定子和动子固定。定子和动子装配时，应保持驱动端与动子表面垂直。另外定子基座应能够前后移动，以方便调节动子和定子之间的预压力。为了增加电机的摩擦驱动性能，在动子表面贴耐磨陶瓷片。(b)动子图5电机的速度特性6结论利用压电叠层的微幅振动，提出了一种新型结构的压电直图4样机实物图线电机。4．2电机定子的装配电机具有以下特点：为保证电机的输出对称性，在装配过程中应保证压电陶瓷(1)利用压电