一種壓電疊堆非共振V 形直線超聲波電動機(jī)研究

汪紅兵，李志榮，孫春華

(蘇州市職業(yè)大學(xué)，蘇州215104)

0 引 言

直線超聲波電動機(jī)是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，使彈性體產(chǎn)生超聲頻率(在20 kHz 以上)的微觀振動(微米級)，并通過摩擦作用將這種微觀振動轉(zhuǎn)換成宏觀直線運(yùn)行來直接推動負(fù)載。直線超聲波電動機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)快、運(yùn)動精度高、低噪聲運(yùn)行、無電磁干擾、可直接實現(xiàn)直線驅(qū)動、結(jié)構(gòu)形式靈活多樣等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在微型精密驅(qū)動系統(tǒng)中發(fā)展迅速，應(yīng)用前景廣闊［1－3］。

從直線超聲波電動機(jī)原理來看，電機(jī)定子需工作在共振狀態(tài)下，然而共振狀態(tài)并不穩(wěn)定，定子的固有頻率在工作過程中會受到環(huán)境溫度等因素影響而發(fā)生漂移，一定程度上會影響電機(jī)的工作性能［4］。

壓電疊堆具有能量轉(zhuǎn)換效率高、電源功耗低、響應(yīng)速度快、分辨率高、輸出力大、輸出位移大且穩(wěn)定、蠕變小、實現(xiàn)低電壓驅(qū)動、體積小等特點(diǎn)［5－6］。由于壓電疊堆的特點(diǎn)，在直線超聲波電動機(jī)中使用壓電疊堆進(jìn)行激振，定子無需工作在共振狀態(tài)下即可推動負(fù)載運(yùn)動，拓寬了電機(jī)的工作頻率。另外，采用壓電疊堆可以實現(xiàn)電機(jī)的低電壓驅(qū)動及微型化。

目前國內(nèi)外關(guān)于基于壓電疊堆的新型直線超聲波電動機(jī)取得了一系列的成果［7－10］。文獻(xiàn)［4］提出的新型新型非共振壓電直線電動機(jī)，在驅(qū)動電壓80 V 時，電機(jī)最大輸出推力4.1 N，最大運(yùn)行速度3.7 mm/s。文獻(xiàn)［9］提出了一種新型慣性式直線超聲波電動機(jī)，電機(jī)在驅(qū)動電壓50 V 時，最大空載速度11 mm/s，最大輸出力0.5 N。文獻(xiàn)［10］提出了一種利用壓電疊堆驅(qū)動的非共振式直線超聲波電動機(jī)，電機(jī)在驅(qū)動電壓100 V 時，最大空載速度2.8 mm/s，最大輸出力3.5 N。

為實現(xiàn)直線超聲波電動機(jī)的低電壓驅(qū)動以及電機(jī)的微型化，本文設(shè)計并制造出一種以壓電疊堆為激勵源的V 形直線超聲波電動機(jī)，電機(jī)定子的外形尺寸約為10 mm×5 mm×3 mm。實驗表明，該電機(jī)在一定的頻率范圍內(nèi)有穩(wěn)定的輸出速度，在驅(qū)動電壓5 V，激勵頻率96.7 kHz 時，最大空載速度25.78 mm/s，最大輸出力2.14 N，可用于一些空間狹窄且有一定驅(qū)動力要求的精密驅(qū)動場合。

1 電機(jī)的工作原理

直線超聲波電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它主要由定子和動子組成。由于定子形狀呈倒“V”字形，故把該種電機(jī)稱為V 形直線電機(jī)。定子包括驅(qū)動頭和兩組壓電疊堆，如圖2 所示。電機(jī)定子中壓電疊堆的極化(圖中用“+”，“－”號來表示)和布置方式均相同，如圖3 所示。采用壓電疊堆可以實現(xiàn)在低驅(qū)動電壓作用下產(chǎn)生較大的位移［11］。

在圖1 的電機(jī)結(jié)構(gòu)中壓電疊堆的一端與底座固定粘結(jié)在一起，另一端與驅(qū)動頭粘結(jié)在一起。定子上的兩組壓電疊堆呈90°安放。底座放置在保持架上，用圖示位置的頂緊螺栓(圖中未畫出)將定子與動子在一定預(yù)壓力下緊貼在一起，通過改變螺栓的旋入量調(diào)整動定子之間的預(yù)緊力大小。該電機(jī)采用壓電疊堆有利于實現(xiàn)電機(jī)的微型化，電機(jī)本身結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，為電機(jī)的微型化設(shè)計創(chuàng)造了條件。

電機(jī)工作時，在兩個壓電疊堆上分別施加正弦和余弦信號，兩路信號的相位差為90°，此時兩個壓電疊堆產(chǎn)生的位移在驅(qū)動頭的頂部疊加，使得驅(qū)動頭頂部產(chǎn)生橢圓運(yùn)動，推動動子移動，其工作過程如圖4 所示。

圖4 電機(jī)驅(qū)動頭的橢圓運(yùn)動軌跡

當(dāng)施加在電機(jī)定子壓電疊堆上的驅(qū)動信號是正弦時，壓電疊堆的位移輸出也是正弦形式［11］，因此設(shè)定子兩個疊堆的位移輸出分別如下:

式中:u 和v 分別是電機(jī)定子兩個壓電疊堆的輸出位移;ω 是振動頻率;φ 是振動初相位。

電機(jī)定子的兩個壓電疊堆輸出位移在驅(qū)動頭頂部合成的位移:

從圖4 可以看出，電機(jī)未工作時，在預(yù)壓力作用下動子和定子處于接觸狀態(tài)，當(dāng)兩個壓電疊堆在激勵信號作用下微幅振動，驅(qū)動頭頂部產(chǎn)生橢圓運(yùn)動。當(dāng)驅(qū)動組頭頂部處于橢圓軌跡上半部分時，驅(qū)動頭通過摩擦力推動動子沿切線運(yùn)動，驅(qū)動頭位于橢圓軌跡下半部分時，動定子脫離，這樣保證動子朝一個方向運(yùn)動。當(dāng)電機(jī)定子左右兩個壓電疊堆的相位差改變時，電機(jī)可以實現(xiàn)向相反方向運(yùn)動。

2 電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與裝配

2.1 電機(jī)保持架設(shè)計

電機(jī)的保持架可以保證動定子之間要一定的預(yù)壓力，如圖1 所示。在保持架的底端鉆螺紋孔，使用頂緊螺栓通過螺紋孔對底座施加頂緊力，為使頂緊力均勻作用在底座上，在螺栓和底座之間增加一個彈簧片和橡膠墊。通過螺栓的旋入深度，控制預(yù)緊力的大小，使動定子之間保持合適的預(yù)緊力。

電機(jī)工作時要限制定子在動定子接觸面切線方向的自由度，電機(jī)定子放置在保持架上，兩者的配合面采用過渡配合，如圖1 所示。

2.2 電機(jī)定子的設(shè)計與裝配

電機(jī)的定子如圖2 所示，它包括驅(qū)動頭和兩個壓電疊堆，如圖5 所示。驅(qū)動頭與壓電疊堆接觸的兩個面的法線相互垂直，這樣可以保證兩個壓電疊堆的輸出位移在空間上相互垂直。

圖5 驅(qū)動頭結(jié)構(gòu)尺寸

電機(jī)定子結(jié)構(gòu)中如何將壓電疊堆與定子驅(qū)動頭接成一體是電機(jī)制造中的關(guān)鍵技術(shù)。因為它直接關(guān)系到電機(jī)的最大輸出功率、效率和疲勞壽命。為減小電機(jī)外形尺寸，壓電疊堆與定子驅(qū)動頭的連接不宜采用螺栓連接方式，宜采用粘接方式來實現(xiàn)。粘結(jié)的要求是壓電疊堆與定子驅(qū)動頭間有良好的機(jī)械性固定連接，同時要求粘接層機(jī)械阻尼損耗低、動靜態(tài)剪切強(qiáng)度高、防腐蝕等。一般的粘接工藝流程是表面處理－涂膠－固化，膠層在固化時需要施加一定壓力，以確保膠層能夠在粘接表面流動并深入粗糙的凹凸部，以形成牢固的粘接。由于V 形驅(qū)動頭的微型直線超聲波電動機(jī)具有兩個壓電疊堆，而且驅(qū)動頭的體積很小，施壓時又不能直接作用于驅(qū)動頭的足部，因此很難保證受力均勻以及粘接牢固度等要求。為此設(shè)計并制造了一種用于V 形微型直線超聲波電動機(jī)粘接裝配的夾具，旨在解決驅(qū)動頭和壓電疊堆與底座之間粘接時存在的受力均勻以及粘接牢固度等問題。夾具實物如圖6 所示。

圖6 電機(jī)定子的裝配夾具

該夾具由固定座、仿形墊塊和頂壓螺栓組成。固定座用于安置電機(jī)定子中的底座、驅(qū)動頭以及兩個壓電疊堆，固定座還可導(dǎo)向仿形墊塊的滑動，頂壓螺栓通過橫梁中央所設(shè)的螺紋孔頂在仿形墊塊上，給電機(jī)施加均勻預(yù)壓力，使得電機(jī)定子的驅(qū)動頭、兩個壓電疊堆與底座能夠很好地粘接在一起。仿形墊塊的V 形缺口形狀是按照電機(jī)驅(qū)動頭的形狀和大小來設(shè)計，使得電機(jī)驅(qū)動頭能夠定位在仿形墊塊的V 形缺口內(nèi)。夾具在固定座橫梁中央設(shè)有螺紋孔，頂壓螺栓通過螺紋孔頂在仿形墊塊上，給電機(jī)施加均勻預(yù)壓力。該夾具較好地解決了電機(jī)定子粘接裝配受力不均、強(qiáng)度不高的問題，有助于提高電機(jī)的工作性能。

3 電機(jī)的性能實驗

根據(jù)電機(jī)工作原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，制作了樣機(jī)，樣機(jī)定子如圖7 所示。驅(qū)動頭外形尺寸為7 mm ×4 mm × 3 mm，壓電疊堆采用德國PI 公司生產(chǎn)PL033.31 型號壓電疊堆，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)為:工作電壓0 ～100 V，外形尺寸3 mm×3 mm×2 mm。

圖7 電機(jī)定子

電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)如圖8 所示。給壓電疊堆施加驅(qū)動信號，驅(qū)動電壓的峰峰值為5 V，改變驅(qū)動信號的頻率，得出電機(jī)空載運(yùn)行速度隨驅(qū)動頻率變形的關(guān)系，如圖9 所示，在93.5 ～96.7 kHz 頻率范圍內(nèi)，電機(jī)均能較穩(wěn)定運(yùn)行，最大空載運(yùn)行速度為25.78 mm/s。

在驅(qū)動頻率為96.7 Hz、驅(qū)動電壓5 V 時，電機(jī)的機(jī)械輸出特性如圖10 所示。從圖10 中看出電機(jī)最大輸出力為2.14 N。

圖10 電機(jī)機(jī)械特性曲線

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種基于壓電疊堆的非共振V 形直線超聲波電動機(jī)，分析了電機(jī)工作原理，并對電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計與裝配，制造了樣機(jī)并進(jìn)行了性能試驗。電機(jī)在電壓峰值5V、激勵頻率96. 915 Hz時，最大運(yùn)行速度達(dá)到25.78 mm/s，最大輸出推力為2.14 N，電機(jī)定子的外形尺寸僅為10 mm×5 mm×3 mm。所設(shè)計的電機(jī)具有外形尺寸小、驅(qū)動電壓低以及驅(qū)動力和速度較高的特點(diǎn)，可用于一些空間狹窄且有一定驅(qū)動力要求的精密驅(qū)動場合。

［1］ 趙淳生. 超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］. 北京:科學(xué)出版社，2007.

［2］ 汪紅兵，李志榮，孫春華. V 形大推力直線超聲電機(jī)定子振動的有限元分析［J］.微特電機(jī)，2013，41(8):40－48.

［3］ 李超東，何曉箐.臥式板型直線超聲電機(jī)的微型化［J］.光學(xué)精密工程，2010，18(4):887－892.

［4］ 黃衛(wèi)清，孟益民.一種新型非共振壓電直線電機(jī)的設(shè)計［J］.光學(xué)精密工程，2009，20(14):1717－1721.

［5］ 劉登云，楊志剛，程光明，等.壓電疊堆泵微位移放大機(jī)構(gòu)的試驗研究［J］. 機(jī)械與電子，2007，(3):75－77.

［6］ 劉國嵩，楊志剛，曾平，等.新型壓電步進(jìn)式二維精密驅(qū)動［J］.光學(xué)精密工程，2006，14(4):602－606.

［7］ KIM J，LEE J. Self－moving cell linear motor using piezoelectric stack antuators［J］. Smart Materials and Structures，2005，14(5):934－940.

［8］ SALISBURY S P，WAECHTER D F. Closed－loop control of a complementary clamp piezoworm actuator ［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics，2007，12(6):590－598.

［9］ 金家楣，時運(yùn)來，李玉寶，等.新型慣性式直線超聲壓電電機(jī)的運(yùn)動機(jī)理及實驗研究［J］. 光學(xué)精密工程，2008，16(12):2371－2377.

［10］ 陳西府，王寅，黃衛(wèi)清，等. 一種非共振式壓電疊堆直線電機(jī)的機(jī)理與設(shè)計［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31(15):82－87.

［11］ 汪紅兵，李志榮.直線型超聲波電動機(jī)壓電作動器的位移特性研究［J］.微特電機(jī)，2010，38(4):30－32.