关键词: 直线超声电机;LIB4振动模态;微型电机

随着机电产业向高精度化发展, 在生物、医学、信息、航空航天、国防和人民生活等许多领域,传统的旋转电机加减速机的直线运动驱动方式已越来越难以满足要求, 迫切需要能够直接驱动的、结构紧凑的微型直线电机。直线超声电机由于具有直接驱动、结构简单、功率密度大、无电磁干扰、动作响应快、无电输入自锁、可用于真空或强磁环境等卓越特性而备受青睐。然而,目前直线超声电机的典型形式是盘状的或棒形的, 对于微小机械的应用场合不尽合理, 应设法做成扁平式或卧式的。
　　目前问世的具有细长结构特点的、技术上比较先进的微型压电直线电机主要是日、韩、美、德等推出的压电电机产品。其应用对象主要是微型精密定位机构的驱动。我们研制的这种微型直线超声电机, 是基于板型直线超声电机的原理。宽度仅们, 行程和输出推力较大, 预期可用于有一定动力输出的微型结构的直线驱动。本文的工作是在直线超声电机微型化方面进行的初步探索。本文研究的卧式板型微型直线超声电机属于模态祸合型直线超声电机。图显示了板型超声

图1显示了板型超声电机的工作原理。

电机的工作原理。通过施加两个相位差为90° 正弦电波到压电陶瓷, 在板型超声电机的弹性体上产生水平方向上的一阶纵向模态和垂直方向上的四阶弯曲模态。通过两种模态的耦合, 在与导轨接触的两齿上产生椭圆运动。同时, 通过持续的机械负载垂直地施加到弹性体上, 产生了摩擦力。因此, 卧式板型超声电机的弹性体可以直线移动。

卧式板型超声电机在一个周期内的运动过程如图2所示, 电机的齿端横向弯曲振动情况与纵向拉伸振动情况如图2(a)和(b)所示, 将横向弯曲振动和纵向拉伸振动合成, 可以得到如图2(c)的齿端运动轨迹。

所设计的卧式板型微型直线超声电机的驱动振子由矩形薄板、压电陶瓷片和齿(驱动足)三部分组成。第一步是通过解析法, 运用欧拉一伯努利理论即梁弯曲理论, 可用于建立第n阶弯曲模态和外形尺寸间的关系公式。

这里的是E是杨式模量, ｐ是弹性体的密度。

为了产生在一个共振频率下的一阶纵向模态和四阶弯曲模态, 必须满足公式（4）

通过式（1）一（4）式, 可以设计出弹性体的长度、厚度、共振频率f。

第二步是用三维有限元进行模态分析, 通过反复实验调整结构参数, 使得弯曲振动和拉伸振动有趋于一致的共振频率, 即得到其他的结构尺寸。使用有限元软件ALGOR, 进行有限元分析。图3就是用有限元仿真, 对振子进行的模态分析。

最后确定出样机振子外型尺寸为长36mm,高4mm,宽5mm, 图4为电机实物图。

使用德国公司出品的PSV-400激光测振仪, 对制作的卧式板型微型直线超声电机的样机进行模态测试, 测试结果如图5所示。定子的工作振动频率是62KHZ, 和有限元仿真的结论基本一致, 符合频率简并的要求。

 

一

将电机通过塑料凸起物与弹性夹连接, 再放置于导轨面上。电机工作时, 在其下方加祛码作为预压力, 通过线轮与电机连接, 加祛码作为测试负载。当驱动电压为150Vpp时, 测得电机空载速度为183.7mm/s;讨预压力为0.5N时, 测得输出推力为50mN, 电机速度为18.2mm/s。实验结果令人满意, 预计有很好的开发前景。

本文研制的这款卧式板型直线超声电机, 外型尺寸为36×5mm×4mm, 在微型化方面做了初步

的探索。激光测振表明, 基于有限元的结构设计是有效的。电机最大速度为183.7mm/s, 输出推力为50mN。实验结果令人满意, 验证了设计方案的合理性。该电机特别适合用于电机安置空间比较狭窄且需要一定动力的直线驱动场合, 市场前景很好。

参考文献