T型直线超声波电动机的运行机理及其特性分析
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
浙江工商大学信息与电子工程学院的研究人员王光庆、徐文潭、杨斌强，在2017年第15期《电工技术学报》上撰文，提出了一种新型T型直线超声波电动机,利用PZT d31模式激发压电双晶悬臂梁产生纵向振动,并通过驱动足与滑条间的摩擦作用带动滑条作直线运动。
研究了电动机结构和运行机理,采用有限元方法对T型直线超声波电动机定子进行了建模和分析;利用冲量定理和力平衡原理建立电动机定子和滑条接触面力传递模型,仿真分析了不同预压力作用下电动机的速度-推力输出特性,实验验证了仿真分析结构的正确性。
实验结果表明,在激励电压幅值Vpp为200V和激励频率为23.75 kHz作用下,电动机在预压力为50 N时的空载直线速度达到250 mm·s-1,在预压力为200 N时的最大推力达到7.6 N。
超声波电动机是利用压电材料的逆压电效应激发定子弹性体产生超声频域的振动，并通过摩擦接触驱动与之耦合的动子做旋转或直线运动。超声波电动机具有结构简单、低速大力矩、响应速度快、断电自锁、无噪声和不受电磁干扰等优点，广泛用于精密器械、航空航天、医疗仪器、工业自动化和机器人等高新技术领域。
超声波电动机按运动方式可分为旋转型和直线型。直线超声波电动机具有结构设计灵活、体积小、运动精度高和良好的控制特性，在微机电系统中具有广泛的应用前景。
陈强等研究了一种利用两组正交双压电晶片激发振动双足型直线超声波电动机的运行机理，建立了电动机的有限元模型，分析了电动机振动特性，并利用 LabView阻抗方法测量了电动机定子的输入阻抗。
万志坚等研究了一种利用8片PZT8压电陶瓷和一块磷青铜材料矩形板粘接而成的面内弯纵型直线超声电动机，分析了直线超声电动机定子质点的切向和法向运动。
王剑等利用定子的一阶扭振和一阶纵振模态研制了旋转－直线型两自由度超声波电动机。W. H. Lee等研制了一种碟型直线超声波电动机用于超薄电子产品中。Shi Yunlai等和Wan Zhijian等利用纵振动和弯曲振动研制了一种基于面内模态的直线超声波电动机。
Yang Xiaohui等利用压电陶瓷的弯曲振动研制了纵弯复合型直线超声波电动机，电动机在峰峰值450V驱动电压激励下输出最大速度为560 mm/s，最大输出力为55N。
Hou Xiaoyan等利用三个压电叠堆d33模式产生的纵向振动研制了一种基于面内振动模态的小型直线超声波电动机。该电动机结构简单，易于控制，电动机定子结构尺寸为12mm×4mm×4mm，每个压电叠堆由18片厚度为0. 3mm的压电陶瓷片和18片铝电极粘接而成，陶瓷片在机械上串联、电学上并联，压电叠堆制作工艺复杂，制造成本也较高。另外，电动机在运行过程中，因弯曲振动的影响，压电叠堆中陶瓷片与电极之间会受到较大的弯曲力变形，容易使陶瓷片与电极之间产生脱胶断裂现象。
本文采用三个压电双晶悬臂梁结构代替三个压电叠堆，研制了一种利用PZT d31模式工作的T型直线超声波电动机。每个压电双晶悬臂梁由两片极化方向相反、工作模式为d31的陶瓷片粘接在金属悬臂梁基板上、下表面构成。
当两压电陶瓷在极化方向(3轴)受激励电压作用时，同时在1轴方向产生相反的扩张或收缩变形，在两个反向变形的作用下，悬臂梁的弯曲振动被抑制，只存在沿1轴方向上的伸长或收缩变形。该电动机结构简单，制造方便，成本低廉。
图1 T型直线超声波电动机结构原理示意图
结论
利用压电双晶悬臂梁的纵振动模式研制了一种T型直线超声波电动机，通过对电动机有限元、仿真和实验分析，得到以下结论:
1）所设计的直线超声波电动机结构简单，可以避免压电叠堆因弯曲振动产生的脱胶断裂现象。
2）仿真结果表明T型直线超声波电动机在激励电压幅值Vp为100V和激励频率为22625Hz作用下，电动机空载直线速度达到270 mm.s-1，最大推力达到8 N。
3）有限元分析结果表明所设计的直线超声波电动机x和y方向的振动位移具有良好的解耦性，有利于驱动控制电路的设计。
4）实验结果表明在激励电压幅值Vpp为200V和激励频率为23. 75 kHz作用下，预压力为200N时，电动机空载直线速度为130 mm.s-1，最大推力为7. 6N，实验结果与仿真结果比较接近，证明本文预测模型是正确可行的。
下一步研究工作重点: ①继续优化设计T型定子结构，解决悬臂梁与固定框之间连接方式、固定框刚度效应等对定子谐振频率、振动特性的影响; ②深入开展直线超声波电动机的理论模型与数值分析研究; ③完善直线超声波电动机的实验研究，包括电动机阻抗特性、频率响应特性、机械输出特性(如效率-推力特性)等。