一種新型中空軸壓電電機的結構設計

白永明

(無錫工藝職業技術學院，江蘇宜興214206)

0 引言

目前市場上使用的中空電機一般為電磁型電機，由空心轉軸、磁鋼、鐵芯、平衡塊、端蓋、磁環和機殼等主要構件組成。雖然電磁型電機的研究比較成熟，使用廣泛，但也存在一定的缺陷，限制其在某些特殊領域的使用。電磁型中空電機轉軸是細長型的，中空內徑可調范圍小；工作時有磁場，在一些必須無磁的醫用器材和深空探測的攝像設備上就無法使用；結構復雜致使電機質量大，如用于深空探測則會增大發射質量；電磁電機斷電不能自鎖如用于相機鏡頭自動調焦則會影響定位精確性。

為了克服現有電磁型中空電機的不足，國內外很多研究機構和學者研發基于壓電技術驅動的中空軸壓電電機。壓電電機具有無線圈，結構簡單、質量輕、斷電自鎖、低速大力矩和工作無磁等優點［1］。中空軸壓電電機將在鏡頭自動調焦、深空探測和一些特殊醫用設備上將有著良好的應用，圖1所示為行波驅動中空軸壓電電機在相機自動調焦設備上的應用。

圖1 應用中空軸壓電電機的鏡頭

1 駐波驅動中空壓電電機的設計

行波驅動中空軸壓電電機的驅動行波需要兩相同頻相位差為90°駐波合成，通過在分區極化壓電陶瓷上施加同頻相位差為90°的正弦激勵信號即可實現，電機結構如圖2。行波電機定子上開有密布的槽，定子結構設計和加工比較困難，壓電陶瓷分區極化精度要求嚴格，此外如要制作大直徑中空壓電電機所需的大尺寸壓電陶瓷制備也很困難［2］。因此本設計研究提出一種定子結構相對簡單、依靠駐波驅動的新型中空壓電電機。

本研究設計的中空軸壓電電機主要包括定子、轉子、機座和其他附屬裝置，其中定子是重點設計部件。

如圖3所示的定子結構圖，振動體包括橫向振動體3和縱向振動體8兩部分構成，通過焊接聯接。橫向振動體的兩端分別裝有壓電陶瓷2，兩者的極化方向相反，施加相同的激勵信號產生相反的運動，縱向振動體底部也裝有壓電陶瓷。利用壓電陶瓷的d33效應分別激發定子橫向和縱向振動體的剛性振動，可在振動體的端部合成橢圓運動，再通過驅動頭9驅動轉子旋轉。橫向和縱向振動體設計為圓柱體結構，便于加工制作，振動也均為獨立的強迫振動，結構設計對相互直接影響要比行波壓電電機小。

圖2 行波驅動中空軸壓電電機結構

圖3 定子結構設計圖

定子兩側和底部為固定安裝板1和6，用以固定振動體。兩側的固定安裝板側面有內螺紋孔，裝有內調節螺釘6用于固定橫向振動體。縱向振動體則直接通過螺紋聯接固定于定子底部的固定安裝板上。

壓電陶瓷使用時需有一定的預緊力，可通過兩側固定件的螺紋聯接緊壓在振動體上。以橫向振動體一側的壓電陶瓷安裝為例(圖4)，壓電陶瓷置于螺紋聯接中間，調節螺紋聯接的松緊度即可實現預緊力的調整，其余兩組壓電陶瓷的安裝方式一致。

定子裝配效果如圖5，定子振動體的材料選用磷青銅，其剛度大而且散熱快；壓電陶瓷采用PZT8壓電陶瓷，其可以直接利用信號發生源與功放來驅動和進行測試，可承受的反向電壓高，不容易退極化［3］；振動體固定安裝板選用45鋼。

圖4 壓電陶瓷安裝圖

圖5 定子結構效果圖

壓電電機運轉時，定、轉子間必須有一定的預壓力，預壓力可通過安裝在定子上的薄片彈簧加以調節，調節支座固定在機座上，其上裝有一調節螺釘，調節螺釘底部頂住薄片彈簧中心，通過擰緊或旋松螺釘即可方便調節定、轉子間的預壓力。驅動定子數量可以根據需要合理選擇。

定子橫向和縱向振動體的壓電陶瓷分別施加同頻同幅相位差為90°的正弦信號。通過設置兩個正弦信號相位差的超前或滯后實現電機的正、反轉。

根據需要可以選擇將定子置于轉子的內部或者外部來調節電機的中空內徑。

如圖6所示，定子內置式中空壓電電機。定子位于轉子5內部，安裝于機架6的凹槽內，通過兩側壓板3固定。定、轉子間的預緊力通過薄片彈簧1和調節螺釘2調節。

圖6 定子內置式中空壓電電機結構圖

轉子包括轉動體5和轉子支架4。轉動體通過滾珠安裝于轉子支架上，支架固定在機架上。因此類電機的驅動負載小，轉子可采用類似球軸承結構或直接通過球軸承改裝。機架中間開通孔，由此形成定子內置式中空壓電電機。電機機架設有安裝孔7。裝配效果如圖7。

圖8所示為定子外置式中空壓電電機，工作原理與定子內置式一致中空壓電電機，選擇將定子置于外部可以增大中空內徑，裝配效果如圖9。

圖7 定子內置式電機效果圖

圖8 定子外置式中空壓電電機結構圖

圖9 定子外置式電機效果圖

2 結語

研究發現，與行波中空軸壓電電機相比，采用駐波驅動具有以下優點:電機結構簡單，制作方便；采用PZT8壓電陶瓷，驅動電路簡單；定子安裝方式靈活，中空內徑的調節范圍寬；定子數量可根據實際需要靈活調節，需要大推力就增加定子數量，需要減輕電機質量就減少定子數量。要得出駐波驅動中空軸壓電電機的具體運行參數，還須制作出樣機并進行大量試驗研究。

［1］褚祥誠，袁松梅，李龍土.一種新型中空結構的行波壓電電機［J］.壓電與聲光，2005，27(6):640-642.

［2］趙淳生.超聲電機技術與應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［3］蘇艷文.薄板面內振動直線型超聲電機及其驅動電路的設計［D］.南京:南京航空航天大學，2007.