陳建毅，林星陵

(廈門(mén)城市職業(yè)學(xué)院，廈門(mén) 361008)

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新型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展

陳建毅，林星陵

(廈門(mén)城市職業(yè)學(xué)院，廈門(mén) 361008)

直線超聲波電動(dòng)機(jī)因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可直接驅(qū)動(dòng)、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注。綜述了直線超聲波電動(dòng)機(jī)的研究概況和進(jìn)展，分析不同類(lèi)型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)機(jī)理。

直線超聲波電動(dòng)機(jī)；V型定子；H型定子；U型定子；塔型定子；面內(nèi)模態(tài)；縱彎模態(tài)

0 引 言

超聲波電動(dòng)機(jī)是一種全新驅(qū)動(dòng)原理的微特電機(jī)，具有定位精度高、響應(yīng)快、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且易于微小型化、無(wú)電磁干擾等一些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。因此，在精密儀器、微機(jī)電系統(tǒng)以及航空航天等領(lǐng)域里有著良好的應(yīng)用前景。三十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者開(kāi)展了大量的研究工作[1-30]，成功研制了多種不同類(lèi)型的超聲波電動(dòng)機(jī)。

直線超聲波電動(dòng)機(jī)是超聲波電動(dòng)機(jī)一種很重要的類(lèi)型和分支，其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)出定子的超聲振動(dòng)(微米級(jí))，并借助定子、動(dòng)子之間的摩擦作用來(lái)直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)以及直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載輸出，從而實(shí)現(xiàn)將輸入的電能轉(zhuǎn)換為輸出的機(jī)械能[1]。近年來(lái)，直線超聲波電動(dòng)機(jī)發(fā)展迅速，應(yīng)用日益顯著。例如，以色列Nanomotion公司已經(jīng)成功將直線超聲波電動(dòng)機(jī)應(yīng)用在精密驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化。德國(guó)、日本、美國(guó)等國(guó)家也已將這種新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)用在一些高、精、尖的領(lǐng)域里[31]。

近年來(lái)，直線超聲波電動(dòng)機(jī)的研究工作取得了不小的進(jìn)展，已研制出V型結(jié)構(gòu)、H型結(jié)構(gòu)、U型結(jié)構(gòu)等多種不同類(lèi)型。本文綜述了近年來(lái)直線超聲波電動(dòng)機(jī)的研究成果，對(duì)不同類(lèi)型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行歸類(lèi)和分析。

1 V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)

1.1 電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理[5-6]

V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)利用其定子激發(fā)出的2個(gè)正交工作模態(tài)(對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)和反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài))或者縱、彎復(fù)合振動(dòng)模態(tài)，實(shí)現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)足處產(chǎn)生具有驅(qū)動(dòng)作用的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而推動(dòng)動(dòng)子(導(dǎo)軌)做直線運(yùn)動(dòng)。圖1為V型定子結(jié)構(gòu)的示意圖[5]，主要由兩個(gè)蘭杰文振子(夾心式換能器結(jié)構(gòu))組成，呈左右對(duì)稱的V型結(jié)構(gòu)。其中，蘭杰文振子通過(guò)預(yù)應(yīng)力螺栓將前端蓋(含驅(qū)動(dòng)足)、壓電陶瓷片以及后端蓋等部件緊固在一起，同時(shí)給壓電陶瓷片施加一定的預(yù)緊力。

圖1 V型定子的結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示[11]，當(dāng)V型定子的左右兩個(gè)蘭杰文振子的壓電陶瓷片分別施加兩路相同頻率、相位差90°的激勵(lì)信號(hào)(A相和B相)時(shí)，定子的2個(gè)正交工作模態(tài)同時(shí)被激發(fā)出，即對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)和反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)。如圖2(a)所示為對(duì)稱模態(tài)，當(dāng)輸入的兩路激勵(lì)信號(hào)(A相和B相)同相時(shí)，定子工作在對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，左右兩個(gè)振子做相同的伸縮運(yùn)動(dòng)，并在定子的頂點(diǎn)(驅(qū)動(dòng)足處)合成為垂直方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如圖2(b)所示為反對(duì)稱模態(tài)，當(dāng)輸入的兩路激勵(lì)信號(hào)(A相和B相)反相時(shí)，定子工作在反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，左右兩個(gè)振子做相反的伸縮運(yùn)動(dòng)，并在定子的頂點(diǎn)(驅(qū)動(dòng)足處)合成為水平方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在這2個(gè)正交工作模態(tài)的共同作用下，定子的頂點(diǎn)(驅(qū)動(dòng)足處)合成了橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，并借助定子與動(dòng)子之間摩擦力，實(shí)現(xiàn)推動(dòng)動(dòng)子(導(dǎo)軌)做直線運(yùn)動(dòng)。

(a)對(duì)稱模態(tài)(垂直)(b)反對(duì)稱模態(tài)(水平)

圖2 V型定子的2個(gè)工作模態(tài)

1.2 V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的研究情況

2009年，楊東、姚志遠(yuǎn)等人設(shè)計(jì)制作一種具有連續(xù)變截面超聲變幅桿的V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)[5-6]。該電機(jī)利用超聲變幅桿原理來(lái)放大驅(qū)動(dòng)足的振幅，從而獲得更大的輸出轉(zhuǎn)速和輸出推力。在50 N的預(yù)壓力和300 V(峰峰值)的驅(qū)動(dòng)電壓的條件下，樣機(jī)的最高空載速度為235 mm/s，最大輸出推力達(dá)21.4 N。2012年，喬木等人設(shè)計(jì)制作一種雙階梯型超聲變幅桿的V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)[7]。該樣機(jī)的最高空載速度為206 mm/s，最大輸出推力為10.5 N。2012年，于會(huì)民等人提出了一種基于三滾子結(jié)構(gòu)的夾持方案的V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)[8]。實(shí)驗(yàn)表明，該夾持結(jié)構(gòu)能夠有效地提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及提高電機(jī)的輸出機(jī)械性能。樣機(jī)的輸出推力最大值從原先的20 N提高到26.8 N，提高了34%。2012年，胡寧等人設(shè)計(jì)了一種柔性鉸鏈夾持的V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)[9]。如圖3所示為所設(shè)計(jì)的圓弧柔性鉸鏈夾持元件的結(jié)構(gòu)(材料為65 Mn)，主要包括了臂尾(厚度為2 mm)、支持臂(厚度為2 mm)以及3個(gè)柔性圓弧段(厚度為0.7 mm)等幾個(gè)部分。其中，兩邊2個(gè)圓弧柔性鉸鏈起彈簧作用，用于替代預(yù)壓力彈簧給定子與動(dòng)子之間施加預(yù)壓力；中間1個(gè)圓弧柔性鉸鏈可以起到消除裝配應(yīng)力的作用，同時(shí)減小對(duì)定子振動(dòng)模態(tài)的影響。實(shí)驗(yàn)表明，該柔性鉸鏈夾持元件可以直接作為線性彈簧，同時(shí)可以提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及改善電機(jī)的振動(dòng)特性。2015年，簡(jiǎn)月等人在圓弧式柔性鉸鏈夾持方式的基礎(chǔ)上，提出了一種大切向剛度的梁式夾持方式[10]，如圖4所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了梁式夾持方式的電機(jī)與圓弧式夾持方式的電機(jī)的輸出特性。結(jié)果表明：梁式夾持方式的電機(jī)的輸出速度最大值達(dá)1 400 mm/s，比圓弧式夾持方式的電機(jī)增大了4.6倍；梁式夾持方式的電機(jī)的輸出推力最大值達(dá)37 N，比圓弧式夾持方式的電機(jī)增大了1.7倍。2015年，陳乾偉等人設(shè)計(jì)制作了一種單模態(tài)驅(qū)動(dòng)雙向運(yùn)動(dòng)(正反向)的新型V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)[11]，如圖5所示。該樣機(jī)主要由V型定子、動(dòng)子(導(dǎo)軌)和預(yù)壓力裝置等組成。其中，動(dòng)子相對(duì)于V型定子傾斜安裝，傾斜角度為35°。在預(yù)壓力為65 N和激勵(lì)電壓為600 V(峰峰值)的條件下，當(dāng)工作在對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)(激勵(lì)頻率為35.4 kHz)時(shí)，電機(jī)動(dòng)子正向直線運(yùn)動(dòng)，最高空載速度和最大輸出推力分別為180 mm/s和14 N；當(dāng)工作在反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)(激勵(lì)頻率為38.4 kHz)時(shí)，電機(jī)動(dòng)子反向直線運(yùn)動(dòng)，最大空載速度和最大輸出推力分別為125 mm/s和24 N。2015年，汪紅兵等人設(shè)計(jì)制作了一種壓電疊堆非共振V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)[12]，該電機(jī)采用了尺寸為10 mm×5 mm×3 mm的壓電疊堆作為定子。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該樣機(jī)在93.5～96.7 kHz的頻率范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定運(yùn)行；在激勵(lì)頻率96.7 kHz和驅(qū)動(dòng)電壓5 V的條件下，電機(jī)最大輸出速度和最大輸出力分別為25.78 mm/s和2.14 N。2016年，Zhang Yanhu等人對(duì)V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)在Al2O3/Y-TZP、Al2O3/SiC、Al2O3/Si3N4和Al2O3/AlSiCp等四種不同摩擦副下的摩擦特性和輸出性能進(jìn)行研究[13]。2014年，Yang Lin等人對(duì)V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)在不同溫度下的輸出特性進(jìn)行研究[14]，溫度變化從-40°C到80°C。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的輸出速度和輸出推力隨著溫度的升高而增大。

圖3 圓弧式柔性?shī)A持元件

圖4 梁式柔性?shī)A持元件

圖5 斜動(dòng)子V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)

2 H型直線超聲波電動(dòng)機(jī)

2.1 電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理[16]

H型直線超聲波電動(dòng)機(jī)利用H型振子(夾心換能器結(jié)構(gòu)形式[16]或者壓電陶瓷片粘貼式[15])的縱彎復(fù)合振動(dòng)模態(tài)在其兩個(gè)驅(qū)動(dòng)足形成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，從而驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)。圖6為夾芯換能器結(jié)構(gòu)形式H型定子的示意圖[16]，左、右兩驅(qū)動(dòng)桿(夾心換能器)分別通過(guò)預(yù)應(yīng)力螺柱將定子的前蓋板、兩組壓電陶瓷(縱振和彎振)以及后蓋板等部件緊固為一體，并給壓電陶瓷施加一定預(yù)緊力；兩驅(qū)動(dòng)桿前端部分通過(guò)橫桿連接在一起，形成H型結(jié)構(gòu)。

圖6 H型定子的結(jié)構(gòu)圖

圖7給出了電機(jī)定子對(duì)動(dòng)子在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)的完整過(guò)程[16]，當(dāng)電機(jī)左、右兩驅(qū)動(dòng)桿的壓電陶瓷片上施加兩路相同頻率、相位差90°的激勵(lì)信號(hào)時(shí)，H型定子的一階縱振L1和二階彎曲振動(dòng)B2同時(shí)被激發(fā)出，左、右兩桿產(chǎn)生了交替的伸縮運(yùn)動(dòng)與彎曲運(yùn)動(dòng)，并在其驅(qū)動(dòng)端質(zhì)點(diǎn)合成橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，再借助定子與動(dòng)子之間摩擦力，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子(導(dǎo)軌)做直線運(yùn)動(dòng)。若要實(shí)現(xiàn)動(dòng)子(導(dǎo)軌)做反向的直線運(yùn)動(dòng)，可通過(guò)改變輸入的兩路激勵(lì)信號(hào)的相位關(guān)系，從而使驅(qū)動(dòng)端質(zhì)點(diǎn)做逆向的橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)。

圖7 H型定子的驅(qū)動(dòng)過(guò)程

2.2 H型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的研究情況

2013年，賀紅林等人提出一種壓電陶瓷片粘貼式H型振子的直線超聲波電動(dòng)機(jī)[15]。采用有限元對(duì)H型振子的振動(dòng)模態(tài)和諧響應(yīng)進(jìn)行仿真和分析，獲得H振子的工作模態(tài)和振幅大小。利用激光測(cè)振儀測(cè)得樣機(jī)定子的縱振的振幅幅值為1.2 μm，以及彎振的振幅幅值為1.4 nμm。2015年，賀紅林等人提出一種夾心換能器結(jié)構(gòu)形式的H型振子的直線超聲波電動(dòng)機(jī)[16]。利用有限元法建立了定子機(jī)電耦合的有限元模型，在200 V電壓激勵(lì)下，其縱振的諧振頻率為48.995 kHz，振幅幅值為8 μm；彎振的諧振頻率為48.840 kHz，振幅幅值為6 μm。

3 U型直線超聲波電動(dòng)機(jī)

3.1 電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理[17,32-33]

U型直線超聲波電動(dòng)機(jī)利用U型定子的縱彎復(fù)合振動(dòng)模態(tài)或者2個(gè)正交工作模態(tài)(對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài))進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并以U型定子的頂點(diǎn)作為驅(qū)動(dòng)足推動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)。圖8為U型定子結(jié)構(gòu)的示意圖[17]，該定子主要由U型結(jié)構(gòu)的金屬?gòu)椥泽w以及壓電陶瓷片構(gòu)成。其驅(qū)動(dòng)原理如圖9所示[17,32-33]，當(dāng)U型定子兩個(gè)振動(dòng)桿的壓電陶瓷片上施加兩路相同頻率、相位差90°的激勵(lì)信號(hào)時(shí)，定子同時(shí)被激發(fā)出對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)和反對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)，在這兩個(gè)正交工作模態(tài)的共同作用下，U型定子的頂點(diǎn)(驅(qū)動(dòng)足)形成橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，并借助定子與動(dòng)子之間的摩擦力，推動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)。

圖8 U型定子的結(jié)構(gòu)

圖9 U型電機(jī)的工作原理

3.2 U型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的研究情況

2012年，蘇松飛等人設(shè)計(jì)制作了一種基于柔性?shī)A持的新型U型直線超聲波電動(dòng)機(jī)[17]。該電機(jī)樣機(jī)的諧振頻率為71.40 kHz，在預(yù)壓力25 N和驅(qū)動(dòng)電壓400 V(峰峰值)的條件下，其最大輸出速度和最大輸出推力分別為470 mm/s和9 N。2014年，賀紅林等人在H型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上，提出一種U型變截面的直線超聲波電動(dòng)機(jī)[18]。該電機(jī)樣機(jī)的諧振頻率為78.11 kHz，在驅(qū)動(dòng)電壓240 V(峰峰值)的條件下，輸出速度最大值為125.6 mm/s。

4 塔形直線超聲波電動(dòng)機(jī)

為了解決當(dāng)前直線超聲波電動(dòng)機(jī)沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立控制法向振動(dòng)以及切向振動(dòng)的問(wèn)題，陳乾偉等人設(shè)計(jì)制作了一種能夠?qū)崿F(xiàn)工作模態(tài)獨(dú)立控制的塔形直線超聲波電動(dòng)機(jī)[19]。圖10為塔形定子結(jié)構(gòu)的示意圖[19]，主要由塔形的金屬?gòu)椥泽w(包含兩個(gè)正方形截面的柱狀振動(dòng)桿)以及6片壓電陶瓷片構(gòu)成。該電機(jī)定子設(shè)計(jì)有2個(gè)非共面的正交工作模態(tài)，即x-z面內(nèi)的對(duì)稱振動(dòng)模態(tài)(由A相信號(hào)單獨(dú)激勵(lì))以及y-z面內(nèi)的彎振模態(tài)(由B相信號(hào)單獨(dú)激勵(lì))。通過(guò)控制A相信號(hào)和B相信號(hào)就可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制2個(gè)非共面的正交工作模態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制法向振動(dòng)以及切向振動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，電機(jī)在解耦控制的條件下，當(dāng)固定A相信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓值時(shí)，樣機(jī)的輸出速度與B相信號(hào)的電壓成正比關(guān)系；當(dāng)固定B相信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓值時(shí)，樣機(jī)的輸出速度與A相信號(hào)的電壓成非線性關(guān)系。當(dāng)A相信號(hào)和B相信號(hào)的驅(qū)動(dòng)電壓都為400 V(峰峰值)時(shí)，樣機(jī)的輸出速度最大值為420 mm/s。

圖10 塔形定子的結(jié)構(gòu)

5 面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動(dòng)機(jī)

5.1 電機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理[20]

面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動(dòng)機(jī)利用矩形板定子激發(fā)出的縱振、彎振振動(dòng)模態(tài)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子的直線運(yùn)動(dòng)。如圖11為單驅(qū)動(dòng)足的面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖[20]，該電機(jī)定子是由一塊含有單驅(qū)動(dòng)足的矩形金屬板(如磷青銅材料)以及8片壓電陶瓷片構(gòu)成。矩形金屬?gòu)椥泽w的上面和下面均粘貼有4片PZT壓電陶瓷片，并且上面4片壓電陶瓷片的極化方向和下面4片壓電陶瓷片的極化方向是成對(duì)稱的。當(dāng)矩形振子的壓電陶瓷片施加兩路相同頻率、相位差90°的激勵(lì)信號(hào)時(shí)，定子的一階縱振L1和二階彎曲振動(dòng)B2同時(shí)被激發(fā)，在定子的單驅(qū)動(dòng)足處合成了橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，借助定子與動(dòng)子之間摩擦力，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子(導(dǎo)軌)向右或者向左做直線運(yùn)動(dòng)。

圖11 面內(nèi)縱彎模態(tài)直線超聲波電動(dòng)機(jī)的工作原理

5.2 面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的研究情況

2010年，胡丹等人設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)單驅(qū)動(dòng)足的面內(nèi)縱彎模式的直線超聲波電動(dòng)機(jī)[21]。該電機(jī)樣機(jī)的諧振頻率為43.68 kHz，在預(yù)壓力8.5 N的條件下，樣機(jī)的輸出速度最大值為28.6 mm/s，輸出推力最大值為2 N。2012年，萬(wàn)志堅(jiān)設(shè)計(jì)一種開(kāi)有4個(gè)雙圓頭長(zhǎng)孔的雙驅(qū)動(dòng)足矩形壓電振子的直線超聲波電動(dòng)機(jī)[22]。通過(guò)有限元仿真和分析，該開(kāi)孔的矩形壓電振子的振幅明顯比沒(méi)有開(kāi)孔的振幅增大。2014年，萬(wàn)志堅(jiān)等人設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)開(kāi)有4個(gè)雙圓頭長(zhǎng)孔的單驅(qū)動(dòng)足矩形壓電振子的直線超聲波電動(dòng)機(jī)[23]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了有開(kāi)孔與沒(méi)有開(kāi)孔電機(jī)樣機(jī)的輸出特性。結(jié)果表明：有開(kāi)孔的電機(jī)樣機(jī)的輸出推力和輸出速度明顯變大。2011年，時(shí)運(yùn)來(lái)等人設(shè)計(jì)了一種具有振幅放大結(jié)構(gòu)的基于面內(nèi)縱彎型直線超聲波電動(dòng)機(jī)[24]。該電機(jī)在矩形壓電振子設(shè)計(jì)了一個(gè)三角形結(jié)構(gòu)，該三角形結(jié)構(gòu)可以將振子的振幅放大。通過(guò)對(duì)比不同夾角的三角形結(jié)構(gòu)電機(jī)樣機(jī)的輸出性能，得到夾角為20°的電機(jī)樣機(jī)的最大輸出速度以及最大輸出推力分別能達(dá)到98 mm/s和3.2 N。2015年，孫士平等人在時(shí)運(yùn)來(lái)設(shè)計(jì)的電機(jī)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種雙足反向型的面內(nèi)縱彎模式的直線超聲波電動(dòng)機(jī)[25]。該電機(jī)在矩形板振子設(shè)計(jì)了兩個(gè)三角形結(jié)構(gòu)，用于放大振幅以及驅(qū)動(dòng)兩導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)反向直線輸出。通過(guò)建立的有限元模型仿真電機(jī)的輸出性能，仿真得到電機(jī)的最大空載速度能夠達(dá)到120 mm/s，最大輸出推力達(dá)到30 N。

6 夾心式縱彎型直線超聲波電動(dòng)機(jī)

2010年，石勝君等人研制了一種單驅(qū)動(dòng)足的大功率縱彎復(fù)合型直線超聲波電動(dòng)機(jī)[26]。圖12為定子結(jié)構(gòu)的示意圖，主要由2個(gè)夾心式換能器和2個(gè)指數(shù)型變幅桿組成，中間部分設(shè)計(jì)有一個(gè)驅(qū)動(dòng)足。該電機(jī)通過(guò)定子激發(fā)出的縱振和彎振在其驅(qū)動(dòng)足形成一個(gè)具有驅(qū)動(dòng)功能的橢圓軌跡，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)動(dòng)子作直線運(yùn)動(dòng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，該樣機(jī)的輸出速度最大值達(dá)1 280 mm/s，輸出推力的最大值達(dá)45 N。2010年，劉英想等人研制了一種T型單驅(qū)動(dòng)足的大功率直線超聲波電動(dòng)機(jī)[27]。如圖13所示，該電機(jī)定子主要由3個(gè)夾心式換能器和3個(gè)指數(shù)型變幅桿組成，并布置成T型，單驅(qū)動(dòng)足設(shè)在3個(gè)變幅桿結(jié)合處。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，電機(jī)樣機(jī)的輸出速度最大值為1 160 mm/s，輸出推力最大值為20 N。2012年，劉英想等人研制了一種雙驅(qū)動(dòng)足的縱振復(fù)合直線超聲波電動(dòng)機(jī)[28]。如圖14所示，該電機(jī)定子由2個(gè)豎直放置的夾心式換能器以及1個(gè)水平放置的夾心式換能器組成。其中，水平放置的換能器兩端的指數(shù)型變幅桿小端與2個(gè)豎直換能器的變幅桿大端側(cè)面連接，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)足設(shè)在2個(gè)豎直換能器的指數(shù)型變幅桿小端面處。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，樣機(jī)的最大輸出速度和最大輸出推力分別為602 mm/s和32 N。同年，對(duì)該雙驅(qū)動(dòng)足的縱振復(fù)合直線超聲波電動(dòng)機(jī)的定子進(jìn)一步改進(jìn)，水平換能器的兩端指數(shù)型變幅桿的小端與兩個(gè)豎直換能器變幅桿的結(jié)合處設(shè)計(jì)在指數(shù)型變幅桿的小端面位置[29]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試，改進(jìn)樣機(jī)的輸出速度最大值提高到854 mm/s，輸出推力最大值增大到40 N，分別增加了42%和25%。2013年，Yang Xiaohui等人[30]設(shè)計(jì)制作了一種雙足的縱彎復(fù)合型直線超聲波電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)定子采用夾心式換能器結(jié)構(gòu)，采用2組彎振的壓電陶瓷。該電機(jī)樣機(jī)的最高輸出速度為560 mm/s，最大輸出推力達(dá)55 N。

圖12 夾心式縱彎復(fù)合直線超聲波電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)圖

圖13 T型單足直線超聲波電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)圖

圖14 縱振復(fù)合雙足直線超聲波電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)圖

7 結(jié) 語(yǔ)

直線超聲波電動(dòng)機(jī)是利用壓電陶瓷的逆效應(yīng)實(shí)現(xiàn)從電能到機(jī)械能轉(zhuǎn)換，直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)和直接輸出動(dòng)力，具有定位精度高、易于實(shí)現(xiàn)微小型化和輕量化等優(yōu)點(diǎn)，在小型精密驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用領(lǐng)域里具有明顯的優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文重點(diǎn)綜述了近年來(lái)多種新型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的研究進(jìn)展和取得的成果。相信隨著這些新型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的性能以及穩(wěn)定性的深入研究、開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，將使得直線超聲波電動(dòng)機(jī)在小型精密驅(qū)動(dòng)以及更多的工程應(yīng)用領(lǐng)域中發(fā)揮作用。

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Recent Development on the Linear Ultrasonic Motor

CHENJian-yi,LINXing-ling

(Xiamen City University,Xiamen 361008,China)

The linear ultrasonic motor is widely attractive for its characteristics, such as a simple structure, a direct and straight drive, a high precision, etc.In this paper, the recent developments of the linear ultrasonic motor were summarized.The structure and driving mechanism of different linear ultrasonic motors were analyzed.

linear ultrasonic motor; V-shaped stator; H-shaped stator; U-shaped stator; a tower-type stator; mode in-plane; longitudinal and bending modes

2016-02-05

2014年福建省高校杰出青年科研人才培育計(jì)劃(JA-14424)

TM359.9

A

1004-7018(2016)09-0097-05

陳建毅(1979-)，男，博士，副教授，主要從事超聲波電動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)研究。