一种直线压电电机

白永明，金家楣

(1.无锡工艺职业技术学院，宜兴 214206;2.南京航空航天大学，南京 210016)

0 引 言

压电电机(因其工作于超声频率，一般也称为超声波电动机)是一种利用压电材料(压电陶瓷)的逆压电特性，激发电机振子(也称定子)的超声共振，并通过振子和动子间的摩擦力来驱动动子运动，是一种将电能转换为机械能输出的机电装置。与传统微电机相比，在小功率情况下，它具有低速大转矩、响应速度快、不受磁场干扰、保持力矩大、断电自锁、直接驱动、结构相对简单(无线圈)和相对质量轻等优点。

20世纪40年代，美国学者Williams A和Brown W申请第一个超声波电动机的专利，至现在，美国、日本、德国、以色列等科技发达国家，压电电机技术及产品已实现产业化，产品在微/纳米定位、精微光刻/对接、细胞操作、电子隧道扫描、单反镜头对焦系统、机器人、航空航天驱动装置等众多要求精密控制及对工作环境要求严格的特殊领域获得了较大的实际应用[1]。我国由南京航空航天大学赵淳生院士团队自主研发的TRUM-30A型号超声波电动机，在2013年首次成功应用于中国探月工程嫦娥三号“玉兔号”月球车[2]。鉴于压电电机在特殊领域(医疗、航空航天、精密定位)的应用前景，借鉴国内外相关直线压电电机研究成果[3-8]，本文开展基于夹心式压电换能器[9]的直线压电电机研究。

1 电机振子结构

压电电机工作时的振动模态有纵振、弯振和扭振。基于压电陶瓷的d33的工作模式，三种振动模态中，纵振最容易实现，具有高效、高振幅和高振速的优点。因此，本文采用纵振模态设计直线压电电机的工作模态。

电机振子结构如图1所示，由3个夹心式压电换能器组成，其中横向2个，纵向1个，纵横向垂直连接。横向的2个换能器结构一致，对称布置，陶瓷组安装极向相反，以产生反对称振动，增加横向振幅。横向、纵向换能器的振动相位差为90°，以产生椭圆运动。

图1 振子结构示意图

设计中采用夹心式压电换能器(类兰杰文振子)的结构形式，通过变幅杆将驱动端振幅放大，是一种高强度压电换能器，如图2所示，采用PZT8压电陶瓷激发振子的一阶纵振。

图2 高强度夹心换能器结构图

压电陶瓷片采用圆环形结构，变幅杆采用圆锥形结构，其他部分是圆柱结构。陶瓷片的外径确定后，换能器的直径也就确定了，通过设计和调节换能器其他各部分的长度，来确定振子的工作频率和横、纵向谐振频率一致，可以借助ANSYS软件仿真实现。

2 振子驱动端椭圆运行的形成

如图3所示的正交连接的振子，X，Y方向分别为振子的横、纵向。连接处椭圆运动形成[10-11]分析如下。

图3 正交连接形式的振子

dX(t)=DXsin(ωt+α)

(1)

dY(t)=DYsin(ωt+β)

(2)

式中：dX(t)，dY(t)为X，Y方向振动方程；α，β为X，Y方向振动的初始相位；DX，DY为X，Y方向振动的振幅。

(3)

由式(3)可知，当X，Y方向振动相位差为90°时，连接处就能产生椭圆运动。振动的相位差由激励信号的相位差控制。

3 振子尺寸设计

设计的振子结构如图4所示。为了简化设计，换能器后端盖统一采用直径20 mm的不锈钢，长度20 mm；横、纵向振动体连接处的尺寸也确定。换能器前端盖采用铝合金材料。PZT8压电陶瓷的尺寸为外径38 mm，内径15 mm，厚度5 mm。

定子尺寸设计中，主要针对L1～L6长度尺寸进行优化设计，使电机工作在设定的频率范围内，振幅达到一定水平。

图4 振子结构设计

3.1 振子Ⅰ设计

圆柱(锥)体在车床上加工比较方便，因此振子Ⅰ前端盖采用分体式加工再组合方式。横向、纵向振动体在数控车床上单独制作，在连接处通过过盈配合和螺纹联接两种方式组成整体，纵向振动体穿过横向振动体，驱动足与纵向振动体一体。为了保证过盈配合和螺纹联接的加工和装配强度，横向振动体留有一定的壁厚。对于连接处的尺寸，横向振动体：外径15 mm，长度15 mm；纵向振动体：直径9 mm。以表1的数值作为振子设计的初始尺寸。

表1 振子Ⅰ初始尺寸

将振子结构体导入ANSYS仿真软件，结构体划分的网格边长4 mm。横向、纵向一阶振型示意图如图5所示。

(a) 横向

(b) 纵向

振子横、纵向一阶纵振初始频率分别为30.81 kHz和30.664 kHz。

为了使两向振动体一阶纵振工作频率趋于一致，须对L1～L6长度尺寸进行调节。图6和图7分别为L1～L6长度在±5%变化时，对横、纵向振动体一阶纵振频率的灵敏度影响。纵坐标以变化量最大值为100单位。

图6 横向振动体频率灵敏度影响图

图7 纵向振动体频率灵敏度影响图

根据上述灵敏度影响图调节各部分长度尺寸。初始时，纵向振动频率较横向偏低。调节步骤如下：先缩短纵向振动体前端(含变幅杆)的总长度，以粗调其频率与横向接近(相差在50 Hz内)；当(L1+L2)，(L5+L6)总长确定后，再逐步调节单个长度，以微调两向频率至一致。

在仿真研究中发现，当两向频率差值在10 Hz之内时，一阶纵振振型会发生异变。因此为了保证振型纯正，两向频率差值控制在12～15 Hz内，最终L1～L6的尺寸如表2所示。

表2 振子Ⅰ调整后尺寸

按照调整后的振子尺寸，得到横向振动体一阶纵振频率为31.022 kHz，纵向振动体一阶纵振频率为31.038 kHz，两者相差16 Hz，仿真结果可用于实际加工。

振子装配如图8和图9所示，其中螺纹连接是过盈配合。滑条固定于机座上，振子嵌入机座滑槽内，机座尾部螺栓用于调节定、动子间压力。

图8 螺纹连接

图9 过盈配合连接

利用功放如图10所示，施加激励电压，两向峰峰值都设为200 V，从25 kHz～35 kHz以10 Hz为递进单位进行扫频实验。

图10 激励信号发生器

通过实验发现，电机实际运行的效果不佳，滑条左右移动频率差值较大，而且滑条推动力较小。采用车床分体加工再组合，虽然电机制作方便，时间短，但分体加工再组合的这种形式很难保证振子的一体化。组合体连接处会有难以控制的间隙，电机工作时本身振幅很小，横向振动体的振动驱动效果差。

3.2 振子Ⅱ设计

鉴于振子采用分体加工再组合方式的缺陷，振子Ⅱ采用数控铣削整体加工。由于是整体加工，横、纵向振动体的连接就不必考虑壁厚因素。为了提高输出端的振幅，对于连接处的尺寸处理，横向振动体：直径12 mm，长度18 mm；纵向振动体：直径9 mm。重新调节L1～L6的长度尺寸，以使两向一阶谐振频率趋于一致。重新调整后振子的尺寸如表3所示，得到横向振动体一阶纵振频率是30.665 kHz，纵向振动体一阶纵振频率是30.654 kHz。制作的样机如图11所示。

表3 振子Ⅱ尺寸

图11 一体式振子样机

4 样机实验

以一体式振子样机进行推力和速度实验，仍用功放施加两向峰峰值都为200V的激励电压，从25kHz～35 kHz以10 Hz为递进单位进行扫频实验。实验发现，电机在频率为29.55 kHz时工作效果比较好。进而利用PSV-300F-B型高频扫描激光测振设备如图12所示，对振子进行单向扫频实验，得到横向和纵向振动体的扫频结果如图13和图14所示。

图12 激光测振设备

图13 横向振动体扫频实验图

图14 纵向振动体扫频实验图

横、纵向振动体的一阶纵振谐振频率分别为28.84 kHz和29.1 kHz，与仿真结果的差别主要是安装和加工的误差。通过对振子进行微小修整，再进行扫频实验，两向谐振频率差值控制在50 Hz之内。重新装配电机，并调整定、转子预压力，电机在频率为29.3 kHz的激励电压下工作状态最佳。图15为频率29.3 kHz时，不同峰峰值激励电压下电机的推力变化规律。在100～250 V激励电压下，推力基本呈线性变化，再增加激励电压后电机发热量大，性能变差，不适合用于正常工作。各激励电压下，测速仪测得滑条空载移动速度为150 mm/s左右，变化量较小。

图15 推力-激励电压峰峰值变化规律

电机滑条的移动速度通过调节工作频率来改变。在250 V激励电压下，工作频率区间28.7 kHz～29.3kHz，速度-频率如图16所示，呈非线性变化增加。

图16 速度-频率变化规律

5 结 语

采用高强度夹心换能器作为振动体，充分利用一阶纵振的优势，设计并制作直线压电电机。电机振子由横、纵向振动体正交连接而成，振动模态利用率高。

制作的样机电机仅用6片PZT-8圆环形压电陶瓷驱动。振子材料为铝合金，质量轻；振子结构简单，制作方便。电机的行程随滑条长短而定。通过实验测试，样机达到一定的输出力和移动速度。

本文所设计的直线压电电机适用于一些特殊场合，如需无磁环境的医疗器械或航天器，可作为间歇性直线移动机构的驱动器。