直线超声波电动机定子和夹持元件的一体化设计

摘要：提出超声波电动机定子和夹持元件一体化设计方法。该方法将 V 形直线超声波

电动机的驱动足、配重块和央持元件设计成为一个定子的整体结构，该结构由 45#钢通过
线切割加工而成。其中的夹持元件由柔性铰链构成，以代替弹簧元件起弹簧作用。有限元
方法被用来优化定予的结构，以保证两相振动模态的一致性。试验表明，在激励电压为
200 v 和预压力 40 N 情况 F，电机的最大运行速度为 471 mm/8，最大输出力为 15 N，定
子质量为 125 g，推重比达到 12。
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引 言

    直线超声波电动机具有结构简单、重量推力比大、直接驱动、动子惯性小、响应快、断电自
锁、可控性好和定位精度高等特点，它在精密驱动、航空航天和武器装备等领域有着广泛
的应用前景。
    直线超声波电动机的运行机理和结构设计首先受到关注。1983 年，指田年生提出了两种
行波型直线超声波电动机。1998 年，Kumsawa 等人研制了一种驻波型直线超声波电动机。
该电机最大输出力达 51 N，最大速度为 3．5 m／s。2004 年，THcmsel，J walIaschek 等人
研制出 r 一款新型的基于面内振动的直线电动机，该电机也有良好的输出特性。
    随着对直线超声波电动机运行机理的理解和定子结构设计方法的完善，直线超声波电
动机的输出力和速度进一步提高。下一步的研究重点是如何提高电机结构的稳定性、运行
平稳性和运行效率，以便提高电机的控制精度。
    v 型直线超声波电动机是典型的利用兰杰文振子设计的直线超声波电动机。由于该振子
利用 lr 连续变幅杆和压电陶瓷的 d 效应，因此具有好的输出特性，受到关注。但是，该电
机是由驱动足、压电陶瓷片、配晕块和夹持件元件组成，它通过施加预紧力把这些配件组
装起来的。各配件的加工误差和定子的装配误差使得装配后定子的振动特性不一致，影响
电机运行的运行效率和运动稳定性。
    本文研究提出利用柔性铰链代替弹簧提供预压力，并将通过把驱动足、定子配重块和柔
性铰链夹持元件设计为一整体，利用贴片的方式粘贴压电陶瓷片。该设计方式将消除加工
误差和定子的装配误差对振动特性的影响，提高超声波电动机的输出效率和运行稳定性 ．
1 电机定子的结构设计 v 型直线超声波电动机由配重块、驱动足、夹持件、陶瓷片、电极片和
内六角螺栓组成。驱动足的端面有螺纹孔，用于旋入螺栓。它将驱动足、配重块、电极片、陶
瓷片和夹持元件装配为一体，构成直线超声波电动机定子。上述装配过程需要施加足够大
的预紧力。受施加预紧力的方式限制，定子的 2 个兰杰文振子的预紧力存在偏差，导致定
子的两相振动模态不一致。
    夹持元件有直径为 4 mm 的孔(在定子的结构对称轴上)，通过孔穿在滑动螺栓上，用于
夹持定子结构。在滑动螺栓上有弹簧元件，用于施加预压力。
    在上述夹持方式中，夹持点仅有这一个点，使得定子的结构稳定性差。另外，通过弹簧
施加预压力，必然在夹持元件和滑动螺栓之间存在间隙，导致定子振动的非线性。
    为了使提高定子结构振动特性的一致性，改善定子结构夹持的稳定性，消除非线性振
动边界，本文提出将驱动足、配重块和支持元件设计为一体，通过线切割一次加工完成。
    所设计定子两个面上分别黏贴 4 片压电陶瓷片。压电陶瓷片在其厚度方向极化，其极化
方向由黏贴面直线定子的内部。每个兰杰文振子上有 4 片压电陶瓷片，它们分别构成电机
的 A、B 两相。
    A、曰两相分别施加 sinωt 和 cosωt 信号。经电场的作用，定子激发出对称模态和反对称
模态。在对称和反对称模态响应的作用下，在驱动足处形成椭圆运动轨迹。
    2 定子结构的设计 2．1 定子的振动模态利用有限元法建立电机定子模型并通过调节定