胡  丹，洪尚任，林华，张振晶

(华侨大学机电及自动化学院，泉州362021)

    摘要：以基于薄板内振动的纵弯模式驻波型超声波直线电机为研究对象，选择矩形薄板压电陶瓷片定子及单足驱动形式为例，分析了驱动机理，设计电机的具体结构，制作了样机并进行了实验测试，结果表明，电机运行良好，正反向运动灵活。

    关键词：直线型超声波电机；面内振动；矩形薄板；纵弯模式

    0  引  言

    超声波电机(ultrasonic Motor，简称usM)是一种原理与概念全新的新型电机，结构形式多样化[1-3]，其中的直线型超声波机具有结构更为简单，易于小型化，微型化，推力大且卣接驱动负载没有回程间隙等特点[4]。本文以基丁薄板面内振动的纵弯模式驻波超声波直线电机为研究对象，选择矩形薄板压电陶瓷片及单足驱动形式为例，分析了驱动机理，设计制作了电机样机，并对样机进行了实验研究与分析。

    1  电机的工作原理

    图1为本文设计的矩形薄板定子纵弯模式超声波直线电机的结构简图及分压极化形式。矩形压电陶瓷薄板的上部粘贴一个矩形驱动头。导轨上的移动子与驱动头之间通过预压力紧密接触，预压力通对加压弹簧结构加压。超声波电机一般情况下定子由压电陶瓷片和弹性体组合构成的电机复合振子，本文设汁中试采用单一压电陶瓷片作为定子，结构更为简单化．．矩形压电陶瓷薄板定子的反面是全电极，正面是呈田字形的四个银电，背面为全电极接地，正面的四个银电极板巾位于对角线上的银电极板均有导线相互接。

 

    由于压电陶瓷的逆压电效应，在加电的两个的正分区上将同时一致的产生薄板厚度方向上的振动，两个负分区作被迫振动。根据压电陶瓷材料的泊松效应，厚度方向上的位移(假设为z方向)会引起压电陶瓷片平面内z方向(薄板的横向)和)方向(薄板的纵向)上的位移薄板的横向位移将导致矩形薄板横向二阶弯曲振动B：的出现，而薄板的纵向[一的位移将主要导致矩形薄板纵向一阶伸缩L1，如图2所示。其中图(a)和(h)为一阶伸缩振动；图(c)和(d)为二阶弯曲振动，由此空间上相互垂直的两个振动模态B2和L1得以激励后，就会在驱动头与移动子接触点处形成椭圆运动轨迹，接触处产生的摩擦力驱动移动子沿导轨作直线运动.当1，3两电极施加(或)激励信号时，移动子往一个方向运动；而2，4两电极施加同样激励信号时，则移动子往相反方向运动。

 

    2电机的设计制作

    本文利用ANsYs有限元分析软件进行建模，矩形薄板压电陶瓷片定子结构尺寸为L×B×H=40×10×3；而驱动头单独制作后粘贴至压电陶瓷片端部的中间位置，其结构尺寸为L×h×H=3×3×3，材料选45#钢；结构参数及有限元网格划分如图3所示，分析时采用sollid95实体单元，取频率大于20 kHz，得到纵振频率为38 854Hz，弯振频率为36 771Hz，频率差约为2 kHz左右，基本上满足纵振动(L1)和弯振动(B2)两种模态的频率尽可能一致的要求。

 

    在所设计制作的电机中，预紧力加压弹簧的弹性数据测量得50 N／m，弹簧长度在7 mm～25 mn之间变化，加压螺钉长度为24 mm，移动子导轨总长度为130 mm，实际行程120 mm，电机实物照片如图4所示。

 

    3  电机的实验测试与分析

    实验平台照片如图5所示，实验通过多次测量取平均值的方法，在一定的预压力下分别测定了电机的频率一速度关系、电压一速度关系以及在一定的频率下测定r电机的预压力速度关系曲线。

 

    3．1频率一速度关系

    曲线超声波电机振动系统的设计是基于共振原理设计的，所以对于这样的一个振动系统而言，当系统频率发生变化时，它的振动状态也会相应的发牛改变，必导致电机输出特性的变化，譬如速度、推力等。在驱动头与直线导轨问预压力F=8.5 N、实验电源的输入电压为7.5 V的情况r，实际测试曲线如图6所示。

 

    由上面的曲线可知：在同一预压力和驱动电压下，电机的输出速度随着频率的升高而升高，当电机的驱动频率，=43.68 kHz时，导轨E移动子的运行速度V=26．7 mm／s。这说明电机的速度与频率之间存在一个****的匹配值：

    实验中发现，在不同预压力及不同激励电压F，电机的共振频率会有所不同，频率可调范围均在43 kHz～46 kHz之间，电机获得速度的****点在43.7 kHz左右。

    3．2预压力一速度关系

    曲线直线型超声波电机的定子和导轨之间通过一定的预压力紧密接触，才能产生足够的摩擦力推动导轨移动，定动子之间预压力列电机的输出特性很敏感。定动子之问的摩擦力太大或太小，电机都不能正常启动或者达不到电机的理想输出效果。

    在设计加压机构时，本文不采用依靠螺钉进给量直接调整预压力的方法，而采用螺钉和弹簧的组合结构。

    电机通过螺栓和压簧加压，通过测试弹簧的变形量米计算预压力，并测试了电机导轨的运行速度。

    在驱动电源的输入电压为7 5 V，驱动频率在共振频率f=43 68 kHz条件下测试了电机的预压力大小与速度的关系，曲线图如图7所示。

 

    电机的驱动频率和输入电压不变的情况下，不同的预压力对于电机有着不同的输出特性。通过以上曲线可知，定动子问『F预压力的可婀范围在6.5 N～9 N之间，当电机定动子施加正压力F=8.5 N时，我们观测到了电机输出的****速度值v=26.7 mm／s3．3输入电压一速度关系曲线本实验在定动子****预压力F=8．5 N，电机驱动频率在共振频率附近f=43.68 kHz的情况下，测试了电机的电源输入电压和电机速度的关系，曲线图如图8所示。

 

    电源的输入电压增大，电机的驱动电压也随之增大，压电陶瓷的逆压电效应增强，振动幅值增大，当电压增至一一定值时，振动幅值趋于饱和，速度不会再有大的变化。从以上曲线可以看出，在****预压力及共振频率的情况下，当电源输入电压为8 5 V时，我们得到了电机的****速度约为v=28.6 mm／s，并测得电机****输出推力为2 N。

    4结语

    利用面内振动模态将是今后直线型超声波电机发展的一种趋势。本文对基于矩形薄板面内振动的直线型超声波电机作了深入的研究，给出了详细的动定子及总体结构设计方案。并对电机的样机进行了实验测试与分析，其结论对同类型电机的进一步改进结构设计以及开发新型电机等具有一定的参考价值。