双兰杰文振子

V 型直线超声波电动机的设计

摘要：提出了一款由双兰杰文振子组成的

V 型直线超声波电动机，该电机通过两个兰杰文

振子的纵振和弯振，在定子驱动足上形成椭圆运动，从而驱动直线滑轨对外输出直线运动。
该电机使

1}=}j 了阶梯型超声变幅杆，有效地放火了定子驱动足处的振幅。介绍了电机的结

构和工作原理，然后介绍了使用有限元法优化定子的方法，最后对实验样机进行了输出特
性测试。结果表明，该电机无负载的最大输出速度

206 mnl／s，电机的最大输出力为

10．5N。
关键词：直线超声波电动机；双兰杰文振子；有限元分析

0 引  言
    超声波电动机拥有许多传统电机无法比拟的优势，比如重量轻、无电磁干扰、机械结构简
单、无需齿轮减速器、噪声低、高自锁力和高的位置精度等，使得超声波电动机在许多工业领
域得到了广泛的应用。
    本文提出了一款由双兰杰文振子组成的 v 型超声波直线电动机，详细介绍了电机的工作
原理并且使用有限元分析的方法优化了电机的定子。
    1 V 型电机定子的结构和工作原理
1．1 V 型电机定子的结构由图 1 可知，电机的定子部分由摩擦材料、前盖板、压电陶瓷、螺
母、支撑架和双头螺杆组成。
    前盖板采用的是阶梯型变幅杆，目的是将压电陶瓷产生的振动能放大。这里使用密度小、
能够承受很大张拉应力的铝合金

2A11；定子尾部的螺母使用的是不锈钢 304，它的特点是

密度大、强度高，声速较铝合金材料小，有利于振动波最大限度地向前辐射，从而提高电机
的效率。同时尾部使用重金属，还能够有效地缩短定子的尺寸；定子中部是两对面对面放置
的圆环形压电陶瓷片，尺寸是中

20 mm×中 10 mm，其中正极接在两个压电陶瓷片中间，

电极片使用的是普通薄铜片。为了消除压电陶瓷片和薄铜片之『可空气间隙，并且提高定子
组装效率，我们使用环氧树脂胶将压电陶瓷片和铜片粘成了一体。摩擦材料使用的是碳素工
具钢髓。支撑架的厚度是

5mm，使用的材料是铝合金 2A11，它的作用是将两侧的兰杰文振

子连接在一起，并且通过它将定子。

j 外界固定起来。

    1．2 电机的工作原理使用 ANsYs 软件对定子进行固有模态计算。将支撑架的下表面作为
位移约束。当给定子两侧接人相同频率、相同相位的高频电信号时，将激发出图

2(b)所示的

对称振动，此时定子驱动足法向运动；当定子两侧接人的电信号频率相同，相位相反时，
将激发出图

2(a)所示的非对称振动，此时定子驱动足切向运动。

    如果给定子左右两侧接人两个同频、相位差为 90。的高频电信号时，调整输入电流的频率，
直到能够同时激发出对称和非对称两个振动模态。这样，两个振动叠加的结果是，定子的驱
动足上出现椭圆运动。当切换左右两侧的电信号，驱动足的椭圆运动将反向．．在

ANsYs

中所需要的各种材料参数和有限元划分的单元类型，如表

1 所示。

    2 使用 ANsYs 软件对定子进行优化使用 ANSYs 软件对定子进行固有模态计算，由计算
结果可知，定子是利用一阶纵振和二阶弯振工作的。最初设计的定子，其对称振动和非对称
振动的同有频率差为

826 Hz，而且伪振动(驱动足部分振动方向垂直于对称振动和非对称振