维普资讯 http://www.cqvip.com 振第２６卷第６期 动与冲击 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ 双足型直线超声电机的结构及实验 许（１．苏州职业大学机电 系，江苏苏州海 ，赵淳生 ２１００１６） ２１５１０４；２．南京航空航天大学超声电机研究中心，南京摘 要 研制了 一种新 线巡 ＩＵ机， 先对其驱动机理进行探讨，设计电机的具体结构，其次对定子进行频率 响应实验，模态实验，实验 ，Ｊ ＩＵ机ｔ叮仃效激励…所需振型，正反向运动灵活，电机的工作频率４２ ５５０ Ｈｚ；最大无负载速 度可达７６ ｍｍ／ｓ，最大输出推 ２ Ｎ 关键词：直线型超声电机， 内振动， 动振予，压电陶瓷 中图分类号：ＴＭ３８ 文献标识码：Ａ 超声电机是２０世纪８０年代以后才逐渐发展起来 的一种新型电机，它的基本工作原理是利用压电陶瓷 的逆压电效应激发弹性体产生超声振动来实现电能向 机械能的转换，并通过定、转子之间的摩擦界面完成动 力输出。直线型超声电机具有功率／重量比大、直线运 动推力可直接产生、响应快、位置分辨率高－Ｉ有断电自 锁等特点，特别适合于小型、精密的直线运动装置的驱 动和控制 Ｊ。较早的直线型超声电机是行波型，从 １９８８年起，直线型超声电机研究开发的主流转向了驻 波型。利用面内振动模态是直线型超声电机发展的主 式中．２为定子 方向长度 ／３ ； Ａ：为第二阶弯振频率；Ｊｓ， ，Ｕ：Ｋｒｙｌｏｖ函数。 纵向伸缩振动响应函数为： Ｘ＝ ｓｉｎ（ ＋ ） （３） 横向弯曲振动响应函数为： Ｙ＝ ｓｉｎ（ｏａｔ＋／３） 以上两式中： ——（４） 振动角频率； ——时间； ——纵振初始频 流 Ｊ。简单实用而又基本符合实际的基于薄板面内振 动的直线型超声电机的研究对于改进电机的结构设计 以及开发新型电机都具有特别重要的意义 。 率； ——弯振初始频率。 ． 从（３）、（４）两式中消去时间参数ｔ可得 Ｊ： 一 ｃｏｓ（／３－Ｏ／）＋ ＝ｓｉｎ （／３－ＯＬ）（５） １传动机理和电机结构 我们所设计的电机是基于面内振动，通过合理的 结构设计使电机定子产生同频的一阶纵振［图１（ａ）］ 和二阶弯振［图１（ｂ）］，在电机定子的侧表面合成相应 的椭圆运动，利用定、动（转）子之间的接触界面的摩擦 作用，推动电机定（转）子运动。 可以看出当／３一Ｏ／＝ 时，式（５）为标准椭圆方程： Ａｖ２ １，２ ＋ １＝ （６） 即，当纵振响应和弯振响应的相位差为９０。时，驱 动面上每一点的运动轨迹为一椭圆。正是由于这个椭 圆运动，电机定子才能推动动（转）子产生运动。 ２ 电机结构 电机振子材料选为磷青铜，当以矩形薄板作为驱 （ａ） （ｂ） 动振子时，长宽比设定为Ｌ／Ｂ一４．０就可满足其面内一 图１ 直线驻波型超声电机所用的两种振型 设纵振振幅为ａ；弯振振幅为ｂ，则纵振和弯振的 振型函数分别为式（１）、式（２） １ｆ ＝ａｃｏｓ孚 【Ｕｗ＝ｂ［Ｊｓ（Ａ： ）一／３：Ｔ（Ａ： ）］ （１） （２） 阶纵向伸缩振动与二阶横向弯曲振动频率一致的 要求 。 由公式（１）、（２）可以得到矩形薄板上表面的椭圆 形状分布，见图２。 ００ｏ－＝ｏｏ０００。。０００ｏｏ＝－ｏ００ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（项目编号：５０１７５０５０） 收稿日期：２００６—０８—２８修改稿收到日期：２００６—０９一ｌ９ 第一作者许海男，博士，１９７６年９月生 通讯作者赵淳生男，教授，博导，院士，１９３８年７月生 图２ 矩形薄板驱动面的椭圆分布 由图２可知，当驱动足放置在矩形薄板的两端处 维普资讯 http://www.cqvip.com 第６期 许海等：双足型直线超声电机的结构及实验 １０１ 椭圆形状最好，在弯振峰值处的椭圆轨迹次之。无驱 动足时，虽然驱动面上每一点的运动轨迹都是椭圆，但 由于椭圆的形状不一致会造成电机运动性能的不 稳定 。 振子的驱动足应当对称布置，这样才能保证加工 和装配时的精度，同时避免了电机正反两向的性能的 不一致。虽然当驱动足处于矩形薄板两端时可以获得 最大的运动速度，且这时的输出力也较大。但此时驱 动足对弯振和纵振频率差十分敏感。同时用ＡＮＳＹＳ 软件作模态分析可知，当两驱动足之间距离大于２３ｍｍ 时，在～阶纵振和二阶弯振之间有其他振型出现，同时 频率也很靠近 和 ，成为干扰模态。综合考虑，把 驱动足的位置选在矩形薄板二阶弯振的峰值处。这样 既能保证有较好的椭圆轨迹又能有效避开干扰模态的 影响。我们所设计的电机振子的结构简图如图３ 所示。 图３振子结构简图 振子上表面（矩形薄板面内二阶弯振的峰值处）做 两个驱动足，底部粘贴两个规格相同的压电陶瓷片，这 两片压电陶瓷片极化方向相反。当振子弹性体产生同 频一阶纵振和二阶弯振时，会在两个驱动足上产生同 相的椭圆运动，当将振子压紧在动子（滑块）上时就会 产生一定的驱动力，推动动子（滑块）做直线运动。 将振子安装到电机底座上即成为电机定子。振子 固定采用在一阶纵振和二阶弯振的公ｊ Ｉ 点处进行 夹持。 电机为能够实现精确定ｆ 刈 功ｒ』，ｌ，Ｊ 求是：运动 阻力小，动子滑台质量低， 反 运动灵活。在此选 用了美国ＤＥＬ—ＴＲＯＮ公司的Ｄ一３ＡＣ型直线滑台作为 动子。电机的装配图见｝冬｛４。 中标号名称：１、动子滑 台，２、动子导轨，３、振子，４、振子安装螺钉，５、橡胶垫 块，６、预紧螺钉座，７、预紧力调节螺钉，８、动子滑台固 图４电机装配图 固定在电机底座９上，安装时先将振子３与动子滑台１ 贴紧，再预拧紧安装螺钉４。在振子后端用预紧力调节 螺钉７调整电机定子与动子之间的预紧力。电机实物 照片见图５。 图５电机实物照片 ３振子频率响应实验 振子加工出来后，首先要测量其固有模态的频率 和振型是否与理论设计一致，是否能够满足工作要求。 为此，利用德国Ｐｏｌｙｔｅｃ公司生产的ＰＳＶ一３００Ｆ—Ｂ型 多普勒激光测振系统对振子进行了扫频测试和振动模 态测试。 振子的结构尺寸见图６。 Ｒ０．５ 图６振子结构尺寸（ｍｍ） 图７是振子在激光测振仪下的扫频曲线。振子的 扫频结果和ＡＮＳＹＳ有限元软件计算结果比较见表１。 釉牢（ＫＴＩｚ） 图７振子扫频结果 表１振子的ＡＮＳＹＳ计算结果与实验结果对比 维普资讯 http://www.cqvip.com 振动与冲击 ２００７年第２６卷 从表１中可看出，计算获得的频率值与实际扫频 表２电机定子在不同输入电压下的共振频率点 测得的频率值有较大的差值，分析其原因，一方面是因 为利用ＡＮＳＹＳ软件计算时未考虑振子的结构阻尼，另 方面，计算时整个振子作为整体结构，各段之间为紧 密联接的整体，但实际结构中，压电陶瓷是和金属弹性 体粘结在一起的。振子的实际刚度不可能达到计算模 型中整体结构的刚度。 一该类直线电机是一种小功率电机，在实际工作中 对位置和加工精度的要求较高，为了保证电机的正常 工作，需要尽可能地加大振子的振幅，特别是振子的弯 振振幅。虽然装配时以一阶纵振和二阶弯振的公共节 电为夹持点；但由于边界条件有所变化，振幅从自由边 ４振子的模态实验 通过激光多普勒测振仪还可以确定振子的一阶纵 界条件下（正弦电压峰峰值Ｖ ＝６０Ｖ，）的９００ ｎｍ降 振和二阶弯振振动形式，对振子施加频率为４２ ６９９ Ｈｚ 低为６００ ｎｍ～７００ ｎｍ，仍可用于实际电机驱动。 的正弦驱动电压，利用激光测振仪所测振形如图８。可 对电机进行运行实验；电机的工作频率范围在 以看到，在振子中部两边的振动方向相反（图像颜色的 ４２ ４５０ ＨｚｇＵ ４２ ８５０ Ｈｚ区间，当输入频率为４２ ５５０ Ｈｚ， 不同，代表不同的振动方向），且在整个表面上可以看 两相电压相位差９０。的情况下电机速度达到最大；最大 到三个节点。这说明该振型确为二阶弯振振型。 无负载速度可达７６ ｍｍ／ｓ，经吊砝码测试，最大输出推 对振子施加频率为４１ ５１９ Ｈｚ的正弦驱动电压，利 力２ Ｎ。 用激光测振仪所测振形如图９。由于激光测振仪只能 测到和激光头平行方向的振动。所以我们把振子立起 ５ 结论 测试。 设计了一种小型双足型直线超声电机，该电机采 用矩形薄板的一阶纵振和二阶弯振合成驱动足端的椭 圆运动。通过适当的结构设计可使这两种振动模态的 频率一致。对定子进行了频率响应实验，实验表明电 图８振子二阶弯振振型 机的工作频率和计算结果有一定偏差，并分析了产生 原因。模态实验显示电机可有效激励出所需振型。电 机运行实验表明电机正反转灵活，电机的工作频率范 围在４２ ４５０ Ｈｚ到４２ ８５０ Ｈｚ区间，当输入频率为 ４２ ５５０ Ｈｚ，两相电压相位差９０。的情况下电机速度达到 最大；最大无负载速度可达７６ ｍｍ／ｓ，经吊砝码测试，最 大输出推力２ Ｎ。 参考文献 ［１］许海，赵淳生．直线超声电机的发展及应用［Ｊ］．中国机 械工程，２００３，１４（８）：７１５—７１７． ［２］刘剑．基于薄板面内振动的直线型超声电机的研究［Ｄ］： ［学位论文］．南京：南京航空航天大学，２００１． ［３］许图９振子一阶纵振振型 海，黄卫清，赵淳生．一类利用薄板面内振动直线型超 声电机的研究［Ｊ］．振动工程学报，２００３，１６（Ｓ）：２５＿２８． ［４］陈永校，郭吉丰．超声波电动机［Ｍ］．杭州：浙江大学出版 表２则是电机定子自由边界条件，不同输入电压 社．１９９４． 下的通过动态分析仪ＨＰ３５ ６７０扫频得到的共振频率 值。Ａ相代表一阶纵振，Ｂ相代表二阶弯振，由表中可 以看出，虽然输入电压峰值不同时，电机所用到的两个 振型的共振频率点会有所漂移，但仍然是接近同频的。 ［５］刘剑，赵淳生．基于矩形薄板面内振动的直线型超声电机 的研究［Ｊ］．声学学报，２００３，２８（１）：８６—９０． ［６］熊明理，许海，黄卫青．一种新型矩形板直线型超声波电 动机的研究［Ｃ］．上海：第十届中国小电机技术研讨会论文 集，２００５，１９１—１９４．
