H型臥板縱彎復(fù)合模態(tài)振動驅(qū)動的壓電平面電機研究.pdf

1、平面超聲電機（PUSM）在兩/三自由度平面運動機構(gòu)伺服驅(qū)動中存在顯見的優(yōu)勢，是一種新型特種電機，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)、定子/動子間的摩擦耦合進行振動激勵，實現(xiàn)電-機能量轉(zhuǎn)換，以獲取精密運動的較大動力輸出。它在精密定位平臺、IC制造、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天等眾多重要領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用價值。旨在推出小型輕量、大推力、平板化平面超聲電機新原理、豐富PUSM的結(jié)構(gòu)形式，本文著力對H型臥板式定子平面超聲電機的驅(qū)動原理、設(shè)計方法、動力學(xué)優(yōu)化、運

2、動特性、仿真技術(shù)進行了研究，主要完成以下工作內(nèi)容：
　　首先，總結(jié)歸納了平面超聲電機技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展，指出了本文研究PUSM的目的及意義。闡釋了電機定子結(jié)構(gòu)的彈性振動理論，推導(dǎo)出驅(qū)動足質(zhì)點的橢圓運動軌跡方程，介紹了壓電陶瓷（PZT）的逆壓電效應(yīng)驅(qū)振機理，建立定子結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化模型。
　　其次，提出一種基于 H型定子推動的平面超聲電機原理及其動力學(xué)結(jié)構(gòu)，利用 H型定子特定的三相模態(tài)振動作為工作模態(tài)，其中，面外二階反對稱彎振模態(tài)

3、用于實現(xiàn)動子與定子之間的接觸與脫離，與面內(nèi)一階反對稱縱振模態(tài)復(fù)合在驅(qū)動端合成沿yoz面的橢圓軌跡，驅(qū)動動子沿y軸方向作直線運動；與面內(nèi)二階對稱彎振模態(tài)復(fù)合在驅(qū)動端合成沿xoz面的橢圓軌跡，驅(qū)動動子沿x軸方向作直線運動。
　　再次，設(shè)計了貼片式結(jié)構(gòu)的 H型臥板定子平面超聲電機。合理規(guī)劃壓電陶瓷片組的壓電極化方向與供電方案，建立該結(jié)構(gòu)定子模態(tài)頻率一致性動力學(xué)優(yōu)化模型，定子尺寸為22.71mm×6.85mm×30mm；利用有限元分析軟件

4、ANSYS對其進行工作模態(tài)計算，諧響應(yīng)特性分析，驅(qū)動足質(zhì)點振動位移響應(yīng)分析，研究了激勵電壓的頻率、幅值、相位對質(zhì)點振動響應(yīng)軌跡的影響，激勵電壓信號頻率為46.6kHz，幅值為300V。仿真結(jié)果表明驅(qū)動足x、y、z三向振幅可達0.44μm、0.55μm和0.40μm，且具有良好的運動調(diào)節(jié)特性。
　　最后，提出一種基于 H型臥板的夾心式結(jié)構(gòu)電機定子，進行動力學(xué)優(yōu)化后定子尺寸為29mm×9.4mm×39.8mm，定子在34.7kHz、3