基于面內(nèi)彎縱復(fù)合模態(tài)的直線超聲電機(jī)研究.pdf

1、超聲電動(dòng)機(jī)是近三十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種全新概念的驅(qū)動(dòng)裝置。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量密度大、啟停靈敏、位置分辨率高、斷電自鎖、低振動(dòng)、低噪聲、無(wú)電磁干擾等特點(diǎn)。所以它在航天器、微小型機(jī)械、精密儀器、小功率驅(qū)動(dòng)等方面的應(yīng)用具有明顯的優(yōu)越性。直線超聲電機(jī)是超聲電機(jī)的一個(gè)分支，它通過(guò)定子和滑塊（或者動(dòng)子）之間的摩擦耦合輸出直線運(yùn)動(dòng)和推力。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以直接輸出直線運(yùn)動(dòng)，不需要運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，所以除了具有旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的

2、一般特點(diǎn)外，直線超聲電機(jī)的定位精度和速度控制精度更高，可達(dá)納米級(jí)精度。
　　本文提出了一種新型面內(nèi)彎縱型直線超聲電機(jī)。該電機(jī)的定子由一塊青銅矩形板和八片壓電陶瓷片組成，電機(jī)利用矩形板的面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)和一階縱向振動(dòng)的復(fù)合模態(tài)來(lái)工作。由于矩形板的寬度遠(yuǎn)小于厚度，其面內(nèi)彎曲振動(dòng)難以被激發(fā)，所以，本研究中，在青銅矩形板的適當(dāng)位置開(kāi)設(shè)了若干長(zhǎng)條形孔來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，并利用瑞利-里茲法確定了長(zhǎng)條形孔的最佳長(zhǎng)度尺寸。在電壓信號(hào)的激勵(lì)下，壓電陶瓷

3、片產(chǎn)生超聲頻率的伸縮振動(dòng)，并激發(fā)出矩形板定子的面內(nèi)彎縱復(fù)合模態(tài)，使矩形金屬板產(chǎn)生共振，并使矩形板上的驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)。通過(guò)摩擦耦合將驅(qū)動(dòng)足的橢圓運(yùn)動(dòng)變成電機(jī)滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)直線電機(jī)的動(dòng)力輸出。
　　分析了壓電材料的逆壓電效應(yīng)，從矩形板定子面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)和一階縱向振動(dòng)的振動(dòng)方程出發(fā)，建立了矩形板定子的機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型，計(jì)算了壓電陶瓷片對(duì)定子所施加的面內(nèi)二階彎曲振動(dòng)和一階縱向振動(dòng)的模態(tài)力，給出了若干壓電陶瓷片的合理安裝位

4、置，解釋了定子驅(qū)動(dòng)足橢圓運(yùn)動(dòng)的形成機(jī)理。
　　應(yīng)用有限元分析軟件建立了面內(nèi)彎縱型直線電機(jī)定子的有限元模型，對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行全面的仿真分析，包括模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析和接觸分析。通過(guò)仿真，得到了定子的振型，優(yōu)化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸，計(jì)算了定子產(chǎn)生面內(nèi)縱彎復(fù)合振動(dòng)時(shí)的最佳頻率，驗(yàn)證了定子驅(qū)動(dòng)足的橢圓運(yùn)動(dòng)的形成機(jī)理，比較了矩形板開(kāi)孔前后定子的振幅、頻率等變化，并通過(guò)接觸分析證明了這種直線超聲電機(jī)設(shè)計(jì)方案的可行性。
　　課題

5、對(duì)彎縱型直線超聲電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和摩擦分析，從定子驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)研究入手，以新的視角分析了驅(qū)動(dòng)足質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)對(duì)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和阻礙機(jī)理，提出了定子質(zhì)心位置和定子兩端的作用力隨著定子的振動(dòng)而變化的觀點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，分析了定子和動(dòng)子摩擦界面間的粘、滑摩擦機(jī)理，指出驅(qū)動(dòng)足對(duì)動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)方式為跳躍式驅(qū)動(dòng)，且定子驅(qū)動(dòng)足相對(duì)于動(dòng)子適當(dāng)?shù)摹疤S”有利于電機(jī)的動(dòng)力輸出，還指出定子驅(qū)動(dòng)足的“跳躍”高度取決于預(yù)壓彈簧剛度、動(dòng)子摩擦層的剛度、電機(jī)預(yù)壓力、驅(qū)