1 mm金属柱微超声波电机定子模态分析

    曲建俊，陈会国

    (哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：对弯曲旋转实心金属柱微超声波电机的定予进行理论和实验研究，找出了影响电机定子振动模态的

    主要因素，提出了设计原则。制作了三个定子直径lmm微超声波电机，它们的长度为22ram，其工作频率23kHz，

    在激励电压峰一峰值为220V时，其****堵转力矩为12μN·m，空载转速为1500r／min，并测试了该电机的空载特性。

    关键词：实心柱式微超声波电机；定子振动模态；影响因素

    0引言

    超声波电机是20世纪80年代以来发展起来的新型驱动器，其工作原理是由压电陶瓷在弹性体的表面激发出椭圆运动，依靠定子和转子之间的摩擦力推动压在弹性体上面的运动体运动。

因此它具有普通电磁电机所没有的低速大转矩、动态响应快、无电磁干扰、惯性小、控制特性好、定位精度高、重量轻、结构简单等突出特点，因而在工业控制、精密仪器仪表、航空航天、汽车专用电器、智能机器人等领域中有着广泛的应用前景。超声波电机还可直接驱动负载，避免了使用齿轮变速而产生的振动、噪声、间隙以及低效率、难于控制等一系列问题。

超声波电机是一种全新的自动控制执行和驱动元件，也是一种崭新的传动形式，是对传统电磁驱动原理的突破和有力的补充。二十世纪末期以来，超声波电机技术得到了迅速发展，日本、美国、德国、新加坡、英国、韩国、意大利、荷兰、瑞士等国的许多大学和科研机构都有人在研究和开发超声波电机技术。其中，日本和美国处于世界****地位。近年来，我国在这方面也取得了长足进展。在可以预见的未来，超声波电机将在全世界范围内获得广泛的应用，并将部分取代传统的微、小型电磁电机，使人们的生产、生活更为便利.超声波电机按照其特性有很多种分类方法，按定子振动模态不同分为：行波型超声波电机，驻波型超声波电机，行波驻波混合型超声波电机；按电机自身的形状与结构可以分为：圆盘或圆环型电机，柱状电机，平板电机；按能量输出方式分为：旋转型电机，直线移动型电机等。在所有的超声波电机里，柱状弯曲旋转超声波电机被认为是最易微型化、最易细长化的超声波电机，同时由于其制备工艺相对简单，也是最容易实现产业化的超声波电机。

柱式超声波电机按定子基体材料和结构的不同又可以简单的将其分类如下：

 

 

其中压电片夹心式、压电管式和压电柱式超声波电机出现的比较早，各自都有其独特的特点，也部分在某些领域开始应用，但要再进一步实现微型化和产业化在工艺上都有难以克服的困难和不足之处。

    本文研究了实心金属柱弯曲旋转超声波电机，它的定子是由一个粘贴压电片的形状为半圆半方形的金属柱组成，具有结构简单，易于微型化的优点。并用有限元软件对定子进行分析，找出了影响电机定子振动模态的主要因素，得出了一些对定子设计有参考价值的数据。制作了三台定子直径lmm微超声波电机，并初步测试了其空载特性。

1金属柱微超声波电机的结构和原理

本论文所研究的金属柱微超声波电机，主要由定子、输出力矩的转子以及给转子加压的预压力机构和封装外壳组成，如图所示，图1为电机结构示意图，图2为组装好的电机样机照片。其封装外壳的尺寸比较大，是考虑到组装和调试的方便，其实可以做的非常小。

 

 

    该结构的主要特点是整个驱动机构罩在一个金属外套里面，上套筒通过微轴承、聚四氟乙烯垫圈给小弹簧提供预紧力。上套筒和轴之间通过小轴承连接。转子置于定子之上，是电机的动力输出部分。定子的下端直径稍大的一段金属柱做为它的夹持端，通过这一部分和固定装置相连。

    本文所述电机定子结构如图3所示。在构成定子的金属柱的侧面加工出两个相互垂直的平面，并在平面上贴上两个带有电极的矩形压电片。压电陶瓷片采用横场振动模式的PzT-4压电陶瓷长薄片，压电片在交变电压的激励下会产生长度方向上的伸缩运动。当压电片受到交变电压作用产生伸缩振动时，就会带动和它粘接在一起的金属柱作弯曲振动。

而为了改进摩擦接触界面间的压力，把定子端面加工成锥形，从而增大了接触压力，改善了，接触状况。如图3b所示，当以接近共振频率的交变电压激励x片时