一种压电叠堆非共振V 形直线超声波电动机研究

汪红兵，李志荣，孙春华

(苏州市职业大学，苏州215104)

0 引 言

直线超声波电动机是利用压电材料的逆压电效应，使弹性体产生超声频率(在20 kHz 以上)的微观振动(微米级)，并通过摩擦作用将这种微观振动转换成宏观直线运行来直接推动负载。直线超声波电动机具有体积小、重量轻、结构简单紧凑、低速大转矩、响应快、运动精度高、低噪声运行、无电磁干扰、可直接实现直线驱动、结构形式灵活多样等一系列优点，因而在微型精密驱动系统中发展迅速，应用前景广阔［1－3］。

从直线超声波电动机原理来看，电机定子需工作在共振状态下，然而共振状态并不稳定，定子的固有频率在工作过程中会受到环境温度等因素影响而发生漂移，一定程度上会影响电机的工作性能［4］。

压电叠堆具有能量转换效率高、电源功耗低、响应速度快、分辨率高、输出力大、输出位移大且稳定、蠕变小、实现低电压驱动、体积小等特点［5－6］。由于压电叠堆的特点，在直线超声波电动机中使用压电叠堆进行激振，定子无需工作在共振状态下即可推动负载运动，拓宽了电机的工作频率。另外，采用压电叠堆可以实现电机的低电压驱动及微型化。

目前国内外关于基于压电叠堆的新型直线超声波电动机取得了一系列的成果［7－10］。文献［4］提出的新型新型非共振压电直线电动机，在驱动电压80 V 时，电机最大输出推力4.1 N，最大运行速度3.7 mm/s。文献［9］提出了一种新型惯性式直线超声波电动机，电机在驱动电压50 V 时，最大空载速度11 mm/s，最大输出力0.5 N。文献［10］提出了一种利用压电叠堆驱动的非共振式直线超声波电动机，电机在驱动电压100 V 时，最大空载速度2.8 mm/s，最大输出力3.5 N。

为实现直线超声波电动机的低电压驱动以及电机的微型化，本文设计并制造出一种以压电叠堆为激励源的V 形直线超声波电动机，电机定子的外形尺寸约为10 mm×5 mm×3 mm。实验表明，该电机在一定的频率范围内有稳定的输出速度，在驱动电压5 V，激励频率96.7 kHz 时，最大空载速度25.78 mm/s，最大输出力2.14 N，可用于一些空间狭窄且有一定驱动力要求的精密驱动场合。

1 电机的工作原理

直线超声波电动机的结构如图1 所示，它主要由定子和动子组成。由于定子形状呈倒“V”字形，故把该种电机称为V 形直线电机。定子包括驱动头和两组压电叠堆，如图2 所示。电机定子中压电叠堆的极化(图中用“+”，“－”号来表示)和布置方式均相同，如图3 所示。采用压电叠堆可以实现在低驱动电压作用下产生较大的位移［11］。

在图1 的电机结构中压电叠堆的一端与底座固定粘结在一起，另一端与驱动头粘结在一起。定子上的两组压电叠堆呈90°安放。底座放置在保持架上，用图示位置的顶紧螺栓(图中未画出)将定子与动子在一定预压力下紧贴在一起，通过改变螺栓的旋入量调整动定子之间的预紧力大小。该电机采用压电叠堆有利于实现电机的微型化，电机本身结构简单、紧凑，为电机的微型化设计创造了条件。

电机工作时，在两个压电叠堆上分别施加正弦和余弦信号，两路信号的相位差为90°，此时两个压电叠堆产生的位移在驱动头的顶部叠加，使得驱动头顶部产生椭圆运动，推动动子移动，其工作过程如图4 所示。

图4 电机驱动头的椭圆运动轨迹

当施加在电机定子压电叠堆上的驱动信号是正弦时，压电叠堆的位移输出也是正弦形式［11］，因此设定子两个叠堆的位移输出分别如下:

式中:u 和v 分别是电机定子两个压电叠堆的输出位移;ω 是振动频率;φ 是振动初相位。

电机定子的两个压电叠堆输出位移在驱动头顶部合成的位移:

从图4 可以看出，电机未工作时，在预压力作用下动子和定子处于接触状态，当两个压电叠堆在激励信号作用下微幅振动，驱动头顶部产生椭圆运动。当驱动组头顶部处于椭圆轨迹上半部分时，驱动头通过摩擦力推动动子沿切线运动，驱动头位于椭圆轨迹下半部分时，动定子脱离，这样保证动子朝一个方向运动。当电机定子左右两个压电叠堆的相位差改变时，电机可以实现向相反方向运动。

2 电机的结构设计与装配

2.1 电机保持架设计

电机的保持架可以保证动定子之间要一定的预压力，如图1 所示。在保持架的底端钻螺纹孔，使用顶紧螺栓通过螺纹孔对底座施加顶紧力，为使顶紧力均匀作用在底座上，在螺栓和底座之间增加一个弹簧片和橡胶垫。通过螺栓的旋入深度，控制预紧力的大小，使动定子之间保持合适的预紧力。

电机工作时要限制定子在动定子接触面切线方向的自由度，电机定子放置在保持架上，两者的配合面采用过渡配合，如图1 所示。

2.2 电机定子的设计与装配

电机的定子如图2 所示，它包括驱动头和两个压电叠堆，如图5 所示。驱动头与压电叠堆接触的两个面的法线相互垂直，这样可以保证两个压电叠堆的输出位移在空间上相互垂直。

图5 驱动头结构尺寸

电机定子结构中如何将压电叠堆与定子驱动头接成一体是电机制造中的关键技术。因为它直接关系到电机的最大输出功率、效率和疲劳寿命。为减小电机外形尺寸，压电叠堆与定子驱动头的连接不宜采用螺栓连接方式，宜采用粘接方式来实现。粘结的要求是压电叠堆与定子驱动头间有良好的机械性固定连接，同时要求粘接层机械阻尼损耗低、动静态剪切强度高、防腐蚀等。一般的粘接工艺流程是表面处理－涂胶－固化，胶层在固化时需要施加一定压力，以确保胶层能够在粘接表面流动并深入粗糙的凹凸部，以形成牢固的粘接。由于V 形驱动头的微型直线超声波电动机具有两个压电叠堆，而且驱动头的体积很小，施压时又不能直接作用于驱动头的足部，因此很难保证受力均匀以及粘接牢固度等要求。为此设计并制造了一种用于V 形微型直线超声波电动机粘接装配的夹具，旨在解决驱动头和压电叠堆与底座之间粘接时存在的受力均匀以及粘接牢固度等问题。夹具实物如图6 所示。

图6 电机定子的装配夹具

该夹具由固定座、仿形垫块和顶压螺栓组成。固定座用于安置电机定子中的底座、驱动头以及两个压电叠堆，固定座还可导向仿形垫块的滑动，顶压螺栓通过横梁中央所设的螺纹孔顶在仿形垫块上，给电机施加均匀预压力，使得电机定子的驱动头、两个压电叠堆与底座能够很好地粘接在一起。仿形垫块的V 形缺口形状是按照电机驱动头的形状和大小来设计，使得电机驱动头能够定位在仿形垫块的V 形缺口内。夹具在固定座横梁中央设有螺纹孔，顶压螺栓通过螺纹孔顶在仿形垫块上，给电机施加均匀预压力。该夹具较好地解决了电机定子粘接装配受力不均、强度不高的问题，有助于提高电机的工作性能。

3 电机的性能实验

根据电机工作原理及结构设计思路，制作了样机，样机定子如图7 所示。驱动头外形尺寸为7 mm ×4 mm × 3 mm，压电叠堆采用德国PI 公司生产PL033.31 型号压电叠堆，其相关技术参数为:工作电压0 ～100 V，外形尺寸3 mm×3 mm×2 mm。

图7 电机定子

电机的整体结构如图8 所示。给压电叠堆施加驱动信号，驱动电压的峰峰值为5 V，改变驱动信号的频率，得出电机空载运行速度随驱动频率变形的关系，如图9 所示，在93.5 ～96.7 kHz 频率范围内，电机均能较稳定运行，最大空载运行速度为25.78 mm/s。

在驱动频率为96.7 Hz、驱动电压5 V 时，电机的机械输出特性如图10 所示。从图10 中看出电机最大输出力为2.14 N。

图10 电机机械特性曲线

4 结 语

本文设计了一种基于压电叠堆的非共振V 形直线超声波电动机，分析了电机工作原理，并对电机进行了结构设计与装配，制造了样机并进行了性能试验。电机在电压峰值5V、激励频率96. 915 Hz时，最大运行速度达到25.78 mm/s，最大输出推力为2.14 N，电机定子的外形尺寸仅为10 mm×5 mm×3 mm。所设计的电机具有外形尺寸小、驱动电压低以及驱动力和速度较高的特点，可用于一些空间狭窄且有一定驱动力要求的精密驱动场合。

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