直線超聲波電動機定子和夾持元件的一體化設計

胡 寧，姚志遠，耿冉冉，葉 明

(南京航空航天大學，江蘇南京210016)

0引 言

直線超聲波電動機具有結構簡單、重量推力比大、直接驅動、動子慣性小、響應快、斷電自鎖、可控性好和定位精度高等特點，它在精密驅動、航空航天和武器裝備等領域有著廣泛的應用前景［1］。

直線超聲波電動機的運行機理和結構設計首先受到關注。1983年，指田年生提出了兩種行波型直線超聲波電動機［2］。1998年，Kurosawa等人研制了一種駐波型直線超聲波電動機［3］。該電機最大輸出力達 51 N，最大速度為 3．5 m/s。2004年，T．Hemsel，J．Wallaschek等人研制出了一款新型的基于面內振動的直線電動機［4］，該電機也有良好的輸出特性。

隨著對直線超聲波電動機運行機理的理解和定子結構設計方法的完善，直線超聲波電動機的輸出力和速度進一步提高。下一步的研究重點是如何提高電機結構的穩定性、運行平穩性和運行效率，以便提高電機的控制精度。

V型直線超聲波電動機是典型的利用蘭杰文振子設計的直線超聲波電動機。由于該振子利用了連續變幅桿和壓電陶瓷的d33效應，因此具有好的輸出特性，受到關注。但是，該電機是由驅動足、壓電陶瓷片、配重塊和夾持件元件組成，它通過施加預緊力把這些配件組裝起來的。各配件的加工誤差和定子的裝配誤差使得裝配后定子的振動特性不一致，影響電機運行的運行效率和運動穩定性。

本文研究提出利用柔性鉸鏈代替彈簧提供預壓力，并將通過把驅動足、定子配重塊和柔性鉸鏈夾持元件設計為一整體，利用貼片的方式粘貼壓電陶瓷片。該設計方式將消除加工誤差和定子的裝配誤差對振動特性的影響，提高超聲波電動機的輸出效率和運行穩定性。

1電機定子的結構設計

V型直線超聲波電動機由配重塊、驅動足、夾持件、陶瓷片、電極片和內六角螺栓組成。驅動足的端面有螺紋孔，用于旋入螺栓。它將驅動足、配重塊、電極片、陶瓷片和夾持元件裝配為一體，構成直線超聲波電動機定子。上述裝配過程需要施加足夠大的預緊力。受施加預緊力的方式限制，定子的2個蘭杰文振子的預緊力存在偏差，導致定子的兩相振動模態不一致。

夾持元件有直徑為4 mm的孔(在定子的結構對稱軸上)，通過孔穿在滑動螺栓上，用于夾持定子結構。在滑動螺栓上有彈簧元件，用于施加預壓力。圖1是V型直線超聲波電動機的樣機。在上述夾持方式中，夾持點僅有這一個點，使得定子的結構穩定性差。另外，通過彈簧施加預壓力，必然在夾持元件和滑動螺栓之間存在間隙，導致定子振動的非線性。

圖1 V型直線超聲波電動機的樣機

為了使提高定子結構振動特性的一致性，改善定子結構夾持的穩定性，消除非線性振動邊界，本文提出將驅動足、配重塊和支持元件設計為一體，通過線切割一次加工完成。一體化加工的定子結構如圖2所示。

圖2 壓電陶瓷片的極化布置方案

所設計定子兩個面上分別黏貼4片壓電陶瓷片。壓電陶瓷片在其厚度方向極化，其極化方向由黏貼面直線定子的內部。每個蘭杰文振子上有4片壓電陶瓷片，它們分別構成電機的A、B兩相。

圖3 壓電陶瓷布局及施加電壓

A、B 兩相分別施加 sin ωt和 cos ωt信號。經電場的作用，定子激發出對稱模態和反對稱模態。在對稱和反對稱模態響應的作用下，在驅動足處形成橢圓運動軌跡。

2定子結構的設計

2．1定子的振動模態

利用有限元法建立電機定子模型并通過調節定子尺寸使得對稱模態和反對稱模態頻率一致性更好。計算中，45#鋼部分采用solid45單元，壓電陶瓷部分采用solid5單元。劃分網格如圖4所示。

圖4 網格劃分

通過有限元模態分析，在超聲頻率范圍內，找出所需要的對稱模態頻率和反對稱模態頻率，如表1所示。

表1 定子模態頻率對比

2．2柔性夾持設計

柔性夾持的柔性片段設計為圓弧形，通過采用不在同心兩個圓弧，設計成柔性圓弧夾持在兩端的厚度(2 mm)大于柔性圓弧夾持中部厚度(0．7 mm)，保證柔性夾持結構強度同時保證其彈性作用。運用有限元分析其彈性系數k=156 N/mm。考慮到定子的振動模態，柔性鉸鏈夾持連接在配重塊的節面處，減少對電機振動影響。根據理論與經驗，在定子中間用柔性鉸鏈連接在一起，保證定子在受預壓力時，兩相定子不會出現大的變形，同時電機在運行時，保持結構穩定性。

3實驗研究

3．1定子模態實驗

根據設計與計算所得到合適的定子結構參數，并加工電機樣機，如圖5所示。用Polytec公司的PSV300F-B型高頻掃描激光測振系統測試定子振動模態，并與有限元模態計算結果相比較。表1為振動模態頻率實驗和計算的結果。

圖5 所設計的直線超聲波電動機樣機

實驗與有限元計算結果吻合較好。主要原因是超聲波電動機一體化設計消除了裝配誤差，整個電機定子為一體結構，使得定子模態參數更接近于理論值，也使得各個電機定子之間模態頻率相差很小，有利于超聲波電動機的批量生產。同時掃頻試驗表明，該設計消除了電機定子兩相干擾模態，使得電機模態掃頻只存在一個波峰。

圖6是一體化設計的電機定子的兩相模態掃頻圖，從圖7是原V型電機定子的兩相模態掃頻圖。圖6、圖7中可以看出:相比較于傳統電機，一體化電機兩相模態頻率比較純，沒有干擾模態頻率，兩相頻率一致;但是工作頻率更高，工作頻帶更窄。

3．2機械輸出特性

圖8表明，電機的最佳工作頻率為51．4 kHz，但是它的工作頻帶較窄，不利于速度調節。圖9是電機速度隨相位差的關系曲線，它表明電機在相位差為90°時，其運行效果最好，同時在25°～140°的相位差范圍內均可工作。圖10是電機空載速度隨激勵電壓的變化規律。它表明電機速度隨電壓呈線性增加。它說明了電壓越大，電機獲得能量越大，電機運行速度便會加大。

圖8 電機速度頻率特性

圖9 電機速度相位差特性

圖10 電機速度電壓特性

經測試，預壓力為40 N，驅動電壓200 V時，電機最大輸出力15 N，空載速度為471 mm/s，定子質量為125 g，推重比達12。

4結 語

針對V形直線超聲波電動機因裝配誤差導致的兩相頻率不一致的問題，本文提出超聲波電動機定子和夾持元件一體化設計的方法。通過有限元分析，設計出具有柔性夾持元件的定子，該定子和夾持元件構成一個整體結構，并通過線切割一次加工而成。

研制了具有柔性夾持的直線超聲波電動機樣機，并開展了實驗研究。實驗表明，該設計方法消除了V形直線超聲波電動機因加工裝配導致的兩相頻率不一致的問題，并確保定子兩相模態頻率一致性。

在200 V電壓下，該電機最大輸出力為15 N，最大空載速度達到471 mm/s，推重比為12。它表明一化設計方法能夠用于電機設計，它減少了加工裝配程序，保證定子兩項模態頻率的一致性，更有利于批量生產。

［1］ 趙淳生．超聲電機技術與應用［M］．北京，科學出版社，2007．

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