一種基于壓電疊堆的微型直線超聲波電動機研究

汪紅兵，李志榮,2，孫春華

(1.蘇州市職業大學,蘇州 215104；2.呼和浩特職業學院，呼和浩特 010051)

0 引 言

隨著工業和民用產品向高精密方向發展，在精密加工、精密測試等領域，迫切需要能夠直接驅動且外形較小的直線超聲波電動機。傳統的磁性直線電動機有著悠久的發展歷史，但由于原理限制，很難進一步縮小體積。而直線超聲波電動機的工作原理區別于傳統的電磁電機，是利用壓電材料的逆壓電效應，在彈性體中產生微觀變形，并通過摩擦或其它作用方式將這種微觀變形轉換成宏觀運動。直線超聲波電動機具有體積小、質量輕、結構簡單緊湊、低速大轉矩、響應快、運動精度高、低噪聲運行、無電磁干擾、可直接實現直線驅動、結構形式靈活多樣等一系列優點，因此發展迅速，應用前景廣闊[1-3]。

近三十年來，微型直線超聲波電動機得到了迅速發展。日本學者在1989年制作了一種直梁式微型直線超聲波電動機，電機的最大推力達到0.4 N[4]。日本公司在1998年推出了一種薄型直線超聲波電動機，電機的最大推力可達到3 N[5]。2002年韓國學者開發的平板型直線超聲波電動機推力可達到1.5 N[6]。上海大學李朝東等開發的臥式板型直線超聲波電動機輸出推力可達50 mN[7]。

筆者前期開發的一種直線超聲波電動機采用了2個蘭杰文振子的結構形式[8]，壓電陶瓷采用多片形式，電機的外形尺寸較大，驅動電壓較高，不適應一些精密工程領域的直線驅動需要[9]。為此本文利用壓電疊堆的優良性能，在此基礎上研究了一種基于壓電疊堆的微型直線電動機，對其結構進行簡化，使其具有驅動電壓低、推重比大、結構簡單、裝配容易等特點。

1 初始直線超聲波電動機

初始設計的直線超聲波電動機定子如圖1所示，主要部分包括驅動頭、支座、尾部、壓電片和螺栓。外形尺寸為118 mm×78 mm×21 mm(長×寬×厚)，單片壓電片的尺寸為20 mm×5 mm×1 mm(外徑×內徑×厚)，共4片,性能測試表明該電機的無負載速可達到100.5 mm/s，最大推力可達到38.8 N，電機定子推重比為97 N/kg。因此，電機呈低速、大推力的特性。但該電機外形尺寸較大，不適用于精密加工、精密測試以及精密定位等精密工程領域。因此，本文對該電機進行了改進研究，使得外形尺寸更小、運行速度更高、堵推力更大。

圖1 初始V形直線超聲波電動機

2 基于疊堆微型直線超聲波電動機

初始直線超聲波電動機定子包括2個蘭杰文振子，振子采用螺栓連接，電機定子通過支座固定，在設計時使得電機定子中的支座和壓電片位于蘭杰文振子的一階縱振模態的節面處，定子包括驅動頭和自由端的尾部，該結構形式使得電機外形尺寸較大。為減小電機體積，重新設計的電機的主要組成部分包括驅動頭、支座及壓電疊堆。壓電疊堆是由自主設計的。驅動頭和壓電疊堆組成了電機的定子。定子的外形尺寸約為30 mm×17 mm×7 mm 。采用壓電疊堆后的電機，定子結構上采用一端固支的形式，定子沒有自由端的尾部，驅動頭的2個端面和壓電疊堆連接后直接固定在底座上，改進后的電機定子如圖2所示。

圖2 基于壓電疊堆的直線超聲波電動機定子

3 壓電疊堆性能

壓電疊堆具有輸出力大、輸出位移大、功耗低、效率高、體積小等優點，實現低電壓驅動，可應用于包括超聲波電動機在內的各種驅動場合。

圖3給出了所研制的0.5% Co摻雜Pb0.98Bi0.02Zr0.51Ti0.48Zn0.010 3壓電陶瓷不同燒結溫度壓電性能。該壓電陶瓷在溫度950 °C下燒結5 h，其性能參數為:相對介電常數1 190，壓電常數270 pC/N，機電耦合系數分別為0.54(Kp)，0.46(Kt), 居里溫度為346 °C，介電損耗角正切為0.6 %。與商用PZT-8壓電陶瓷的水平相當。

圖3 所研制壓電陶瓷不同燒結溫度壓電性能

對于所研制的壓電陶瓷，委托相關公司采用流延多層疊燒技術進行了壓電疊堆加工。

4 微型電機的原理及設計

4.1 電機原理

電機定子的2個端面固定約束，采用的工作模態是橫向的反對稱振動模態和縱向的對稱振動模態，驅動頭所連接的2個壓電疊堆在一個伸長及另一個收縮時驅動產生橫向反對稱振動，此為橫向反對稱振動模態，如圖4所示。當驅動頭所連接的2個壓電疊堆同時伸長或收縮時產生縱向對稱振動，此為縱向對稱振動模態，如圖5所示。當加在左右2個壓電疊堆上的激振電壓同頻但相位差為90°時，定子的驅動頭由縱向和橫向振動相疊加構成了橢圓運動。

圖4 定子橫向反對稱振動模態

圖5 定子縱向對稱振動模態

電機是基于橫向的反對稱振動模態和縱向的對稱振動模態工作的，只有2個模態頻率盡可能保持一致，電機才能有效工作。下面對2個模態頻率靈敏度進行分析，為電機定子設計提供參考依據。

4.2 模態頻率靈敏度分析

電機定子的基本結構及參數如圖6所示。

圖6 定子結構圖

在ANSYS中創建電機定子的有限元模型，定子上金屬體部分采用solid45單元，該單元是三維8節點6面體，壓電陶瓷采用solid5單元，該單元是三維8節點6面體壓電耦合單元。定子彈性體選用材料為黃銅，其密度為8 270 kg/m3，彈性模量為920 GPa，泊松比為0.33。支座采用45號鋼。壓電陶瓷選用自主研發。定子的2個端面進行固定約束。建立的有限元模型如圖7所示。

圖7 ANSYS中定子的有限元模型

在ANSYS軟件中使用模態分析功能可得到定子橫向的反對稱振動模態頻率和縱向的對稱振動模態頻率對結構參數的靈敏度。

下面是使用有限元方法求解定子2個模態頻率對結構參數靈敏度的過程。

設定子的第i階頻率是ωi，定子第j個結構參數是tj，定子的第i階頻率相對于第j個參數的靈敏度：

通過有限元方法分析可得：

定子結構參數L1對橫向和縱向模態頻率的影響如圖8所示。

圖8 定子參數L1對橫向和縱向模態頻率影響

定子結構參數L2對橫向和縱向模態頻率的影響如圖9所示。

圖9 定子參數L2對橫向和縱向模態頻率影響

定子結構參數L3對橫向和縱向模態頻率的影響如圖10所示。

圖10 定子參數L3對橫向和縱向模態頻率影響

定子結構參數L4對橫向和縱向模態頻率的影響如圖11所示。

圖11 定子參數L4對橫向和縱向模態頻率影響

定子結構參數H1對橫向和縱向模態頻率的影響如圖12所示。

圖12 定子參數H1對橫向和縱向模態頻率影響

根據定子橫向和縱向模態頻率對各結構參數的影響變化情況，得出定子橫向和縱向模態頻率對結構參數的靈敏度。圖13為橫向模態頻率對結構參數靈敏度，從圖13可以看出定子結構參數L1，L2以及H1對反對稱模態頻率影響較大。圖14為縱向模態頻率對結構參數靈敏度，從圖14可以看出定子結構參數L1，L2以及H1對對稱模態頻率影響較大。

圖13 橫向模態頻率

圖14 縱向模態頻率

通過對定子各結構參數對橫向和縱向態頻率的靈敏度分析，調整各結構參數，確定出定子橫向模態頻率為39 571 Hz，縱向模態頻率為38 837 Hz，兩者頻率基本一致。

5 微型電機制作與實驗

整機如圖15所示，定子的外形尺寸為30 mm×17 mm×7 mm，遠小于初始電機外形尺寸。

圖15 樣機的整機圖

電機主要包括定子、動子和若干附屬部分，其附屬部分起到裝夾和調整預緊力作用。

下面對電機定子進行模態測試，測試所用的儀器是PSV-300F型激光多普勒測振儀。將反相電壓信號同時連接在電機定子的左右2個壓電疊堆上，所測得的定子頻率響應曲線如圖16所示，圖16中縱坐標是定子驅動頭切向速度振幅。定子左右2個壓電疊堆同時接入同相電壓信號，激光測振儀測試得到定子頻率響應曲線如圖17所示，圖17中縱坐標是定子驅動頭法向速度振幅。由圖16、圖17可知，縱向模態為38 100 Hz，橫向模態為37 850 Hz，理論計算和實測數值基本一致。

圖16 定子驅動頭切向掃頻圖

圖17 定子驅動頭法向掃頻圖

對電機的輸出性能進行了測試。當激勵電壓為15 V、頻率為38 000 Hz時，樣機的無負載最大速度為30 mm/s，以及最大推力為2.2 N。電機定子推重比為157 N/kg，微型化后電機推重比增加1.7倍。

6 結 語

為解決雙蘭杰文振子的V形直線超聲波電動機外形尺寸較大的問題，更好地應用于精密工程領域，對V形直線超聲波電動機進行了微型化改進設計。電機采用壓電疊堆并對結構進行重新設計，使得初始電機尺寸從118 mm×78 mm×21 mm(長×寬×厚)降到30 mm×17 mm×7 mm，可有效適應一些精密工程領域的應用。

電機采用自主設計的壓電疊堆，與商用PZT-8壓電陶瓷的水平相當，滿足電機的性能要求。

電機定子使用對稱和反對稱模態作為工作模態，當2種模態頻率一致時電機才具有最佳性能。使用有限元方法分析了電機定子的對稱和反對稱模態頻率對結構參數的靈敏度，找出靈敏度較高的結構參數，并對其進行調整，使得定子的對稱和反對稱模態頻率保持一致。對所設計的電機定子進行了模態測試，實驗結果與理論分析基本一致。

對所設計的電機進行了性能測試，當激勵電壓為15 V、頻率為38 000 Hz時，樣機的無負載最大速度為30 mm/s，最大推力為2.2 N。微型化后的電機定子推重比為157 N/kg，微型化前的電機定子推重比為97 N/kg，微型化后電機推重比增加1.7倍。

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