1 mm金屬柱微超聲波電機定子模態分析

    曲建俊，陳會國

    (哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

    摘要：對彎曲旋轉實心金屬柱微超聲波電機的定予進行理論和實驗研究，找出了影響電機定子振動模態的

    主要因素，提出了設計原則。制作了三個定子直徑lmm微超聲波電機，它們的長度為22ram，其工作頻率23kHz，

    在激勵電壓峰一峰值為220V時，其****堵轉力矩為12μN·m，空載轉速為1500r／min，并測試了該電機的空載特性。

    關鍵詞：實心柱式微超聲波電機；定子振動模態；影響因素

    0引言

    超聲波電機是20世紀80年代以來發展起來的新型驅動器，其工作原理是由壓電陶瓷在彈性體的表面激發出橢圓運動，依靠定子和轉子之間的摩擦力推動壓在彈性體上面的運動體運動。

因此它具有普通電磁電機所沒有的低速大轉矩、動態響應快、無電磁干擾、慣性小、控制特性好、定位精度高、重量輕、結構簡單等突出特點，因而在工業控制、精密儀器儀表、航空航天、汽車專用電器、智能機器人等領域中有著廣泛的應用前景。超聲波電機還可直接驅動負載，避免了使用齒輪變速而產生的振動、噪聲、間隙以及低效率、難于控制等一系列問題。

超聲波電機是一種全新的自動控制執行和驅動元件，也是一種嶄新的傳動形式，是對傳統電磁驅動原理的突破和有力的補充。二十世紀末期以來，超聲波電機技術得到了迅速發展，日本、美國、德國、新加坡、英國、韓國、意大利、荷蘭、瑞士等國的許多大學和科研機構都有人在研究和開發超聲波電機技術。其中，日本和美國處于世界****地位。近年來，我國在這方面也取得了長足進展。在可以預見的未來，超聲波電機將在全世界范圍內獲得廣泛的應用，并將部分取代傳統的微、小型電磁電機，使人們的生產、生活更為便利.超聲波電機按照其特性有很多種分類方法，按定子振動模態不同分為：行波型超聲波電機，駐波型超聲波電機，行波駐波混合型超聲波電機；按電機自身的形狀與結構可以分為：圓盤或圓環型電機，柱狀電機，平板電機；按能量輸出方式分為：旋轉型電機，直線移動型電機等。在所有的超聲波電機里，柱狀彎曲旋轉超聲波電機被認為是最易微型化、最易細長化的超聲波電機，同時由于其制備工藝相對簡單，也是最容易實現產業化的超聲波電機。

柱式超聲波電機按定子基體材料和結構的不同又可以簡單的將其分類如下：

 

 

其中壓電片夾心式、壓電管式和壓電柱式超聲波電機出現的比較早，各自都有其獨特的特點，也部分在某些領域開始應用，但要再進一步實現微型化和產業化在工藝上都有難以克服的困難和不足之處。

    本文研究了實心金屬柱彎曲旋轉超聲波電機，它的定子是由一個粘貼壓電片的形狀為半圓半方形的金屬柱組成，具有結構簡單，易于微型化的優點。并用有限元軟件對定子進行分析，找出了影響電機定子振動模態的主要因素，得出了一些對定子設計有參考價值的數據。制作了三臺定子直徑lmm微超聲波電機，并初步測試了其空載特性。

1金屬柱微超聲波電機的結構和原理

本論文所研究的金屬柱微超聲波電機，主要由定子、輸出力矩的轉子以及給轉子加壓的預壓力機構和封裝外殼組成，如圖所示，圖1為電機結構示意圖，圖2為組裝好的電機樣機照片。其封裝外殼的尺寸比較大，是考慮到組裝和調試的方便，其實可以做的非常小。

 

 

    該結構的主要特點是整個驅動機構罩在一個金屬外套里面，上套筒通過微軸承、聚四氟乙烯墊圈給小彈簧提供預緊力。上套筒和軸之間通過小軸承連接。轉子置于定子之上，是電機的動力輸出部分。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。

    本文所述電機定子結構如圖3所示。在構成定子的金屬柱的側面加工出兩個相互垂直的平面，并在平面上貼上兩個帶有電極的矩形壓電片。壓電陶瓷片采用橫場振動模式的PzT-4壓電陶瓷長薄片，壓電片在交變電壓的激勵下會產生長度方向上的伸縮運動。當壓電片受到交變電壓作用產生伸縮振動時，就會帶動和它粘接在一起的金屬柱作彎曲振動。

而為了改進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，當以接近共振頻率的交變電壓激勵x片時