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| 直線超聲波電動機定子和夾持元件的一體化設(shè)計（zxj） |
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摘要：提出超聲波電動機定子和夾持元件一體化設(shè)計方法。該方法將V形直線超聲波電動機的驅(qū)動足、配重塊和央持元件設(shè)計成為一個定子的整體結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由45#鋼通過線切割加工而成。其中的夾持元件由柔性鉸鏈構(gòu)成，以代替彈簧元件起彈簧作用。有限元方法被用來優(yōu)化定予的結(jié)構(gòu)，以保證兩相振動模態(tài)的一致性。試驗表明，在激勵電壓為200 v和預(yù)壓力40 N情況F，電機的****運行速度為471 mm/8，****輸出力為15 N，定子質(zhì)量為125 g，推重比達(dá)到12。
關(guān)鍵詞：盲線超聲波電動機：有限元方法：結(jié)構(gòu)振動：柔性鉸鏈：一體化設(shè)計0引 言直線超聲波電動機具有結(jié)構(gòu)簡單、重量推力比大、直接驅(qū)動、動子慣性小、響應(yīng)快、斷電自鎖、可控性好和定位精度高等特點，它在精密驅(qū)動、航空航天和武器裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
直線超聲波電動機的運行機理和結(jié)構(gòu)設(shè)計首先受到關(guān)注。1983年，指田年生提出了兩種行波型直線超聲波電動機。1998年，Kumsawa等人研制了一種駐波型直線超聲波電動機。該電機****輸出力達(dá)51 N，****速度為3．5 m／s。2004年，THcmsel，J walIaschek等人研制出r一款新型的基于面內(nèi)振動的直線電動機，該電機也有良好的輸出特性。
隨著對直線超聲波電動機運行機理的理解和定子結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的完善，直線超聲波電動機的輸出力和速度進(jìn)一步提高。下一步的研究重點是如何提高電機結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、運行平穩(wěn)性和運行效率，以便提高電機的控制精度。
v型直線超聲波電動機是典型的利用蘭杰文振子設(shè)計的直線超聲波電動機。由于該振子利用lr連續(xù)變幅桿和壓電陶瓷的d效應(yīng)，因此具有好的輸出特性，受到關(guān)注。但是，該電機是由驅(qū)動足、壓電陶瓷片、配暈塊和夾持件元件組成，它通過施加預(yù)緊力把這些配件組裝起來的。各配件的加工誤差和定子的裝配誤差使得裝配后定子的振動特性不一致，影響電機運行的運行效率和運動穩(wěn)定性。
本文研究提出利用柔性鉸鏈代替彈簧提供預(yù)壓力，并將通過把驅(qū)動足、定子配重塊和柔性鉸鏈夾持元件設(shè)計為一整體，利用貼片的方式粘貼壓電陶瓷片。該設(shè)計方式將消除加工誤差和定子的裝配誤差對振動特性的影響，提高超聲波電動機的輸出效率和運行穩(wěn)定性．1電機定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計v型直線超聲波電動機由配重塊、驅(qū)動足、夾持件、陶瓷片、電極片和內(nèi)六角螺栓組成。驅(qū)動足的端面有螺紋孔，用于旋入螺栓。它將驅(qū)動足、配重塊、電極片、陶瓷片和夾持元件裝配為一體，構(gòu)成直線超聲波電動機定子。上述裝配過程需要施加足夠大的預(yù)緊力。受施加預(yù)緊力的方式限制，定子的2個蘭杰文振子的預(yù)緊力存在偏差，導(dǎo)致定子的兩相振動模態(tài)不一致。
夾持元件有直徑為4 mm的孔(在定子的結(jié)構(gòu)對稱軸上)，通過孔穿在滑動螺栓上，用于夾持定子結(jié)構(gòu)。在滑動螺栓上有彈簧元件，用于施加預(yù)壓力。
圖1是V型直線超聲波電動機的樣機。在上述夾持方式中，夾持點僅有這一個點，使得定子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。另外，通過彈簧施加預(yù)壓力，必然在夾持元件和滑動螺栓之間存在間隙，導(dǎo)致定子振動的非線性。
為了使提高定子結(jié)構(gòu)振動特性的一致性，改善定子結(jié)構(gòu)夾持的穩(wěn)定性，消除非線性振動邊界，本文提出將驅(qū)動足、配重塊和支持元件設(shè)計為一體，通過線切割一次加工完成。一體化加工的定子結(jié)構(gòu)如圖2所示。
所設(shè)計定子兩個面上分別黏貼4片壓電陶瓷片。壓電陶瓷片在其厚度方向極化，其極化方向由黏貼面直線定子的內(nèi)部。每個蘭杰文振子上有4片壓電陶瓷片，它們分別構(gòu)成電機的A、B兩相。
A、曰兩相分別施加sinωt和cosωt信號。經(jīng)電場的作用，定子激發(fā)出對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)。在對稱和反對稱模態(tài)響應(yīng)的作用下，在驅(qū)動足處形成橢圓運動軌跡。
2定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計2．1定子的振動模態(tài)利用有限元法建立電機定子模型并通過調(diào)節(jié)定子尺寸使得對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)頻率一致性更好。計算中，45#鋼部分采用s。bd45單元，壓電陶瓷部分采用solid5單元。劃分網(wǎng)格如圖4所示。
通過有限元模態(tài)分析，在超聲頻率范同內(nèi)，找出所需要的對稱模態(tài)頻率和反對稱模態(tài)頻率，如表1所示。
2 2柔性夾持設(shè)計柔性夾持的柔性片段設(shè)計為圓弧形，通過采用不在同心兩個圓弧，設(shè)計成柔性圓弧夾持在兩端的厚度(2 mm)大于柔性圓弧夾持中部厚度(O．7mm)，保證柔性夾持結(jié)構(gòu)強度同時保證其彈性作用。
運用有限元分析其彈性系數(shù)k=156 N／mm�？紤]到定子的振動模態(tài)，柔性鉸鏈夾持連接在配重塊的節(jié)面處，減少對電機振動影響。根據(jù)理論與經(jīng)驗，在定子中間用柔性鉸鏈連接在一起，保證定子在受預(yù)壓力時，兩相定子不會出現(xiàn)大的變形，同時電機在運行時，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
3實驗研究3 1定子模態(tài)實驗根據(jù)設(shè)計與計算所得到合適的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)，并加工電機樣機，如圖5所示。用Polytec公司的PsV300F—B型高頻掃描激光測振系統(tǒng)測試定子振動模態(tài)，并與有限元模態(tài)計算結(jié)果相比較。表1為振動模態(tài)頻率實驗和計算的結(jié)果。
實驗與有限元計算結(jié)果吻合較好。主要原因是超聲波電動機一體化設(shè)計消除了裝配誤差，祭個電機定子為一體結(jié)構(gòu)，使得定子模態(tài)參數(shù)更接近于理論值，也使得各個電機定子之間模態(tài)頻率相差很小，有利于超聲波電動機的批量生產(chǎn)。同時掃頻試驗表明．該設(shè)計消除了電機定子兩相_F擾模態(tài)，使得電機模態(tài)掃頻只存在一個波峰。
圖6是一體化設(shè)計的電機定子的兩相模態(tài)掃頻圖，從圖7是原V型電機定子的兩相模態(tài)掃頻圖。
圖6、圖7中可以看出：相比較于傳統(tǒng)電機，一體化電機兩相模態(tài)頻率比較純，沒有干擾模態(tài)頻率，兩相頻率一致；但是工作頻率更高，工作頻帶更窄。
3．2機械輸出特性圖8表明，電機的****工作頻率為51．4 kHz，但是它的T作頻帶較窄，不利于速度調(diào)節(jié)。圖9是電機速度隨相位差的關(guān)系曲線，它表明電機在相位差為90。時，其運行效果****，同時在25�！�140。的相位差范圍內(nèi)均可工作。圖10是電機空載速度隨激勵電壓的變化規(guī)律。它表明電機速度隨電壓呈線性增加。它說明了電壓越大，電機獲得能量越大，電機運行速度便會加大。
經(jīng)測試，預(yù)壓力為40 N，驅(qū)動電壓200V時，電機****輸出力15 N，空載速度為471 mrn／s，定子質(zhì)量為125 g，推重比達(dá)12。
4結(jié)語針對v形直線超聲波電動機兇裝配誤差導(dǎo)致的兩相頻率不一致的問題，本文提出超聲波電動機定子和夾持元件一體化設(shè)計的方法。通過有限元分析，設(shè)計出具有柔性夾持元件的定子，該定子和夾持元件構(gòu)成一個整體結(jié)構(gòu)，并通過線切割一次加工而成。
研制了具有柔性夾持的直線超聲波電動機樣機，并開展了實驗研究。實驗表明，該設(shè)計方法消除了v形直線超聲波電動機因加工裝配導(dǎo)致的兩相頻率不一致的問題，并確保定子兩相模態(tài)頻率一一致性。
在200 v電壓下，該電機****輸出力為15 N，****空載速度達(dá)到47l mm／s，推重比為12。它表明一化設(shè)計方法能夠用于電機設(shè)計，它減少了加工裝配程序，保證定子l黼項模態(tài)頻率的一致性，更有利于批量生產(chǎn)。 |
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