縱彎復(fù)合型超聲電機(jī)激勵方法與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、超聲電機(jī)（Ultrasonic Motor，簡稱USM）利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，打破了由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的傳統(tǒng)驅(qū)動概念。由于采用了全新的原理和結(jié)構(gòu)，超聲電機(jī)具有低速大力矩、力矩-質(zhì)量比大、無耗能自鎖、動態(tài)響應(yīng)迅速、定位精度高、不產(chǎn)生電磁噪聲且不易受外電磁干擾以及噪聲低等眾多優(yōu)點(diǎn)。相較于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，超聲電機(jī)在某些特定的應(yīng)用領(lǐng)域顯然是更為合適的選擇，例如航空航天、醫(yī)療器械、精密制造、汽車工業(yè)、微機(jī)電系統(tǒng)以及半導(dǎo)

2、體制造業(yè)等領(lǐng)域。
　　現(xiàn)有的超聲電機(jī)大多采用共振式驅(qū)動模式。通常情況下，不同的諧振模態(tài)分別由不同的陶瓷組激勵生成，那么這些陶瓷組之間必然存在振動耦合問題；還有，電機(jī)應(yīng)用模態(tài)的數(shù)量基本決定了陶瓷組數(shù)，該特征勢必造成定子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性、加工裝配精度要求高以及振子質(zhì)量大等問題。為了解決上述問題，本文針對縱彎模態(tài)組合和夾心式正交彎振模態(tài)組合展開研究，提出了縱彎復(fù)合激勵和改進(jìn)的夾心式彎彎復(fù)合激勵兩種激勵方法，以期改善超聲電機(jī)性能和提升超聲電機(jī)

3、效率。
　　本文首先介紹了矩形截面梁的縱振和彎振兩模態(tài)的基本振動特點(diǎn)。針對夾心式縱彎組合振動的傳統(tǒng)激勵方法（簡稱傳統(tǒng)縱彎激勵方法）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)說明及致動機(jī)理分析；以此為基礎(chǔ)，提出了一種夾心式縱彎復(fù)合激勵方法，在實(shí)現(xiàn)矩形梁縱彎組合振動的同時(shí)，簡化了壓電金屬復(fù)合梁的結(jié)構(gòu)；并進(jìn)一步提出了縱彎復(fù)合激勵方法的貼片結(jié)構(gòu)形式。每種激勵方法均通過構(gòu)建簡化模型，建立了復(fù)合梁端面質(zhì)點(diǎn)的振動軌跡方程。最后針對夾心式正交彎彎組合振動的傳統(tǒng)激勵方法（簡稱傳統(tǒng)

4、彎彎激勵方法）進(jìn)行了結(jié)構(gòu)說明，并由此提出了一種改進(jìn)的彎彎復(fù)合激勵方法，在保持基本結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，實(shí)現(xiàn)了彎彎組合振動的高振幅輸出。
　　基于夾心式縱彎復(fù)合激勵方法，提出了一種夾心式縱彎復(fù)合超聲電機(jī)。首先對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了說明，并分析了電機(jī)的工作原理；利用有限元模態(tài)分析實(shí)現(xiàn)了電機(jī)定子的模態(tài)簡并，并對結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的電機(jī)定子進(jìn)行了振動特性仿真；最后制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了振動特性測試和阻抗特性測試，并獲得了樣機(jī)的機(jī)械輸出性能：最高速度為7

5、28.85mm/s，最大推力為16N，最大功率為3.13W。
　　基于貼片式縱彎復(fù)合激勵方法，對縱彎復(fù)合超聲電機(jī)進(jìn)行了小型化研究。貼片式縱彎復(fù)合超聲電機(jī)利用壓電陶瓷的d31工作模式，其工作原理與夾心式縱彎復(fù)合超聲電機(jī)相同。利用有限元法對電機(jī)定子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)靈敏度分析，以實(shí)現(xiàn)模態(tài)簡并，并仿真獲得了驅(qū)動足處的橢圓振動軌跡。最后制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了相關(guān)特性測試，并獲得了樣機(jī)的機(jī)械輸出性能：最高速度為467.84mm/s，最大推力為1

6、.8N，最大功率為0.27W。
　　基于夾心式縱彎復(fù)合激勵方法和改進(jìn)的夾心式彎彎復(fù)合激勵方法，提出了一種夾心式多自由度復(fù)合超聲電機(jī)。該電機(jī)利用三種模態(tài)的兩兩組合在定子端面實(shí)現(xiàn)了球體的三自由度驅(qū)動。當(dāng)球體繞任一軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所有陶瓷組均參與定子振動激勵。利用有限元法確定了電機(jī)定子的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)并驗(yàn)證了驅(qū)動區(qū)域的橢圓振動軌跡。最后制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，進(jìn)行了相關(guān)特性測試，并獲得了樣機(jī)的機(jī)械輸出性能：YOZ驅(qū)動模式下的最高轉(zhuǎn)速為109.8r/mi