多波长激振模式的螺纹副驱动型超声电机
程廷海1，王良1，高焓2，包钢2，王英廷1
【摘 要】摘要:为了提高螺纹副驱动型超声电机的输出力，改善定子与输出轴间的接触驱动状态，将12片压电片粘贴至筒状金属弹性体外表面构成定子，激发定子产生一个沿圆周方向行进的波长数为3的驱动行波，实现对螺纹输出轴的驱动，提出一种多波长激振模式的螺纹副驱动型超声电机。给出了电机的设计结构，阐明了定子多波长激振模式的激励方法，利用有限元法对定子的振动模态进行了仿真分析，研制出一台定子尺寸长×宽×内径为36 mm×30 mm×M24 mm的原型样机。实验结果表明，采用多波长激振模式可以实现螺纹副驱动型超声电机的有效驱动，电机的输出速度与输出力随激励电压的增大而线性增大。样机工作频率为52.1 kHz，在激励电压有效值42 V时，最大输出力可达40 N。
【期刊名称】电机与控制学报 【年(卷),期】2015(000)003 【总页数】5
【关键词】关键词:超声电机;螺纹;行波;多波长;输出力
0 引言
超声电机是近年来迅速发展起来的一种新型驱动器，主要是将压电元件与金属弹性体复合构成定子（也称超声振子），利用逆压电效应激发金属弹性体产生微幅超声振动（一般大于16 kHz），通过定子与动子间的摩擦耦合实现运动输出。与传统的电磁电机相比，超声电机具有低速大力矩、动态响应快、定位精度高、无电磁干扰等特点［1－2］。
螺纹副驱动超声电机作为目前诸多输出类型超声电机中的一种，其定子与输出轴间主要采用螺纹副进行运动传递。这种驱动方式一方面可以实现输出轴的旋转与直线两自由度运动输出，另一方面通过采用高精度传动螺纹副可实现高定位精度与高输出力的目的。目前螺纹副驱动超声电机已在医疗器械与精密驱动控制机构中得到了成功应用［3－5］。
美国的Henderson等利用自由约束的中空方柱型金属定子空间上相互正交的一阶弯曲振动耦合，先后研制出定子长×宽×螺纹直径为20 mm×8 mm ×M4.75 mm与6 mm×1.55 mm×M 0.9 mm两种尺寸的压电片贴片式螺纹副驱动超声电机。其中前者的工作频率约为40 kHz，可以产生0.5 N的输出力，位置分辨率可达20 nm［6－7］。中国学者赵淳生院士等人通过动力学分析推导出该类电机定子驱动点的空间运动轨迹方程，据此揭示了电机的运行机理，研制出同类样机，实现了该电机的较好驱动［8－9］。清华大学的周铁英教授等人利用薄壁圆筒的面内弯曲振动模态实现了一种多棱面螺纹副驱动型超声电机，并将其应用于光学调焦控制系统中［10－11］。本文作者则对利用柱状定子的二阶弯曲振动模态的驱动机理进行了初步探索［12］。已有文献表明，螺纹副驱动型超声电机的输出力一般为数牛级，因此如何提高电机的输出力，成为当前研究的热点与难点。
为了提高螺纹副驱动型超声电机的输出力，改善电机定子与螺纹输出轴间的接触驱动状态，本文提出了一种采用多波长激振模式的螺纹副驱动型超声电机。文中给出了电机的整体设计结构，分析了多波长激振模式的实现方法，利用有限元软件对电机定子的振动模态进行了仿真研究，研制出原型样机，测试了样机的输出特性，完成了实验验证。
1 电机结构
图1所示为本文提出的多波长激振模式螺纹副驱动型超声电机的结构示意图。电机主要包括金属弹性体、压电片与螺纹输出轴三部分。其中电机定子由中空筒状金属弹性体与压电片通过环氧树脂胶粘接构成。中空筒状金属弹性体采用黄铜材料，外形尺寸长36 mm，外径30 mm;外表面加工有十二个相同尺寸的平面，平面宽度为8.2 mm;内孔加工有M24×1.5 mm的螺纹副。压电片沿厚度方向极化，利用d31振动模式，材料为PZT－4，每片尺寸长×宽×厚为16 mm×6 mm×1 mm，共12片。输出轴采用黄铜材料，具有M24×1.5 mm的外螺纹结构，总长50 mm，电机有效行程为14 mm。
图2所示为研制出的一种多波长激振模式的螺纹副驱动型超声电机样机的实物照片。
2 激励模式与仿真
2.1 定子激励模式分析
图3所示为多波长激振模式螺纹副驱动型超声电机定子中压电片的布片方式与激励方法示意图。
为了激发定子产生一个沿圆周方向行进的波长数为3的驱动行波，本文采用12片压电片进行激振。具体为压电片A1～A6构成激振组A，通以与定子轴向一阶弯曲模态频率相吻合的U0sinωt交流电信号，激发出一个沿定子圆周方向分布的具有3个波长的驻波振动SA;压电片B1～B6构成激振组B，通以与定子轴向一阶弯曲模态频率相吻合的U0sin （ωt+φ）交流电信号，同样激发出一个沿定子沿圆周方向分布的具有3个波长的驻波振动SB，金属弹性体接地。图中P表示压电片的极化方向。
多波长激振模式的螺纹副驱动型超声电机
