1 mm金屬柱微超聲波電機(jī)定子模態(tài)分析
曲建俊，陳會(huì)國(guó)
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：對(duì)彎曲旋轉(zhuǎn)實(shí)心金屬柱微超聲波電機(jī)的定予進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，找出了影響電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)的
主要因素，提出了設(shè)計(jì)原則。制作了三個(gè)定子直徑lmm微超聲波電機(jī)，它們的長(zhǎng)度為22ram，其工作頻率23kHz，
在激勵(lì)電壓峰一峰值為220V時(shí)，其****堵轉(zhuǎn)力矩為12μN(yùn)·m，空載轉(zhuǎn)速為1500r／min，并測(cè)試了該電機(jī)的空載特性。
關(guān)鍵詞：實(shí)心柱式微超聲波電機(jī)；定子振動(dòng)模態(tài)；影響因素
0引言
超聲波電機(jī)是20世紀(jì)80年代以來發(fā)展起來的新型驅(qū)動(dòng)器，其工作原理是由壓電陶瓷在彈性體的表面激發(fā)出橢圓運(yùn)動(dòng)，依靠定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力推動(dòng)壓在彈性體上面的運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。
因此它具有普通電磁電機(jī)所沒有的低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、無電磁干擾、慣性小、控制特性好、定位精度高、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出特點(diǎn)，因而在工業(yè)控制、精密儀器儀表、航空航天、汽車專用電器、智能機(jī)器人等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。超聲波電機(jī)還可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲、間隙以及低效率、難于控制等一系列問題。
超聲波電機(jī)是一種全新的自動(dòng)控制執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)元件，也是一種嶄新的傳動(dòng)形式，是對(duì)傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)原理的突破和有力的補(bǔ)充。二十世紀(jì)末期以來，超聲波電機(jī)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，日本、美國(guó)、德國(guó)、新加坡、英國(guó)、韓國(guó)、意大利、荷蘭、瑞士等國(guó)的許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都有人在研究和開發(fā)超聲波電機(jī)技術(shù)。其中，日本和美國(guó)處于世界****地位。近年來，我國(guó)在這方面也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。在可以預(yù)見的未來，超聲波電機(jī)將在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛的應(yīng)用，并將部分取代傳統(tǒng)的微、小型電磁電機(jī)，使人們的生產(chǎn)、生活更為便利.超聲波電機(jī)按照其特性有很多種分類方法，按定子振動(dòng)模態(tài)不同分為：行波型超聲波電機(jī)，駐波型超聲波電機(jī)，行波駐波混合型超聲波電機(jī)；按電機(jī)自身的形狀與結(jié)構(gòu)可以分為：圓盤或圓環(huán)型電機(jī)，柱狀電機(jī)，平板電機(jī)；按能量輸出方式分為：旋轉(zhuǎn)型電機(jī)，直線移動(dòng)型電機(jī)等。在所有的超聲波電機(jī)里，柱狀彎曲旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)被認(rèn)為是最易微型化、最易細(xì)長(zhǎng)化的超聲波電機(jī)，同時(shí)由于其制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，也是最容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超聲波電機(jī)。
柱式超聲波電機(jī)按定子基體材料和結(jié)構(gòu)的不同又可以簡(jiǎn)單的將其分類如下：
其中壓電片夾心式、壓電管式和壓電柱式超聲波電機(jī)出現(xiàn)的比較早，各自都有其獨(dú)特的特點(diǎn)，也部分在某些領(lǐng)域開始應(yīng)用，但要再進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微型化和產(chǎn)業(yè)化在工藝上都有難以克服的困難和不足之處。
本文研究了實(shí)心金屬柱彎曲旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)，它的定子是由一個(gè)粘貼壓電片的形狀為半圓半方形的金屬柱組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于微型化的優(yōu)點(diǎn)。并用有限元軟件對(duì)定子進(jìn)行分析，找出了影響電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)的主要因素，得出了一些對(duì)定子設(shè)計(jì)有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。制作了三臺(tái)定子直徑lmm微超聲波電機(jī)，并初步測(cè)試了其空載特性。
1金屬柱微超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理
本論文所研究的金屬柱微超聲波電機(jī)，主要由定子、輸出力矩的轉(zhuǎn)子以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)和封裝外殼組成，如圖所示，圖1為電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為組裝好的電機(jī)樣機(jī)照片。其封裝外殼的尺寸比較大，是考慮到組裝和調(diào)試的方便，其實(shí)可以做的非常小。
該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)罩在一個(gè)金屬外套里面，上套筒通過微軸承、聚四氟乙烯墊圈給小彈簧提供預(yù)緊力。上套筒和軸之間通過小軸承連接。轉(zhuǎn)子置于定子之上，是電機(jī)的動(dòng)力輸出部分。定子的下端直徑稍大的一段金屬柱做為它的夾持端，通過這一部分和固定裝置相連。
本文所述電機(jī)定子結(jié)構(gòu)如圖3所示。在構(gòu)成定子的金屬柱的側(cè)面加工出兩個(gè)相互垂直的平面，并在平面上貼上兩個(gè)帶有電極的矩形壓電片。壓電陶瓷片采用橫場(chǎng)振動(dòng)模式的PzT-4壓電陶瓷長(zhǎng)薄片，壓電片在交變電壓的激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)度方向上的伸縮運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓電片受到交變電壓作用產(chǎn)生伸縮振動(dòng)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)和它粘接在一起的金屬柱作彎曲振動(dòng)。
而為了改進(jìn)摩擦接觸界面間的壓力，把定子端面加工成錐形，從而增大了接觸壓力，改善了，接觸狀況。如圖3b所示，當(dāng)以接近共振頻率的交變電壓激勵(lì)x片時(shí) |
