【摘 要】
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作为一种特殊的驱动器,超声电机利用逆压电效应而非电磁感应,将电能转化为超声频段内的机械振动,突破了传统电磁电机的驱动原理。它可以弥补传统电机在体积、定位精度、噪声以及电磁干扰等方面的劣势,超声电机凭借其特点逐渐成为微型机器人、空间机构、光学仪器、生物设备等领域热门的选择。现有超声电机一般可以分为贴片式和夹心式两大类别。现有贴片式超声电机结构简单紧凑,但是受陶瓷材料抗拉强度低及胶层限制,定子弹性体振
【基金项目】
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国家自然科学基金（项目名称为:基于分区纵振激励与复合摩擦致动的夹心式压电驱动机构研究,项目编号为51905316）
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作为一种特殊的驱动器,超声电机利用逆压电效应而非电磁感应,将电能转化为超声频段内的机械振动,突破了传统电磁电机的驱动原理。它可以弥补传统电机在体积、定位精度、噪声以及电磁干扰等方面的劣势,超声电机凭借其特点逐渐成为微型机器人、空间机构、光学仪器、生物设备等领域热门的选择。现有超声电机一般可以分为贴片式和夹心式两大类别。现有贴片式超声电机结构简单紧凑,但是受陶瓷材料抗拉强度低及胶层限制,定子弹性体振幅提高受限,输出效率低;现有夹心式超声电机机械输出能力优异,但是结构复杂,不易实现小型化和结构嵌入。现有超声电机构型限制了其性能的进一步提升,应用范围的进一步扩大。而本文的研究对象——夹持式纵弯复合超声电机,采用夹持式结构,电机定子不受胶层限制,可以施加较高电压,以获得更大的振子振幅,且整体结构简单,方便嵌入小型机械中使用。本文首先按照类别介绍了现有超声电机的结构、工作原理、应用场景,同时对夹心式和贴片式超声电机的国内外研究现状、现阶段存在的问题进行了分析。从激励方法创新、结构优化、材料应用、电机使用寿命等角度综述了超声电机未来发展方向。进而提出了研究的两种夹持式电机结构及致动机理,建立了定子驱动足处节点的振动轨迹方程,推导出其振动轨迹为椭圆。最后给出了电机设计中所需材料的性能参数和定子的等效电路模型。对夹持式纵弯复合直线型和旋转型超声电机定子分别进行模态分析,确定设计的两电机结构尺寸参数。在得到的结构尺寸参数及相应模态谐振频率下,对夹持式纵弯复合直线型和旋转型超声电机进行振动特性分析,在电机每个驱动足所选节点处,均得到了正椭圆的振动轨迹。针对提出的夹持式纵弯复合超声电机进行实验研究,搭建实验平台,对夹持式直线型和旋转型电机进行导纳/阻抗以及机械输出特性测试。实验结果表明,在150VP-P幅值激励电压下,夹持式直线型超声电机定子单侧驱动足的最大空载速度为204.88mm/s,最大驱动力为0.4N。在夹持式旋转型电机导纳/阻抗特性测试中,发现测试结果与仿真结果差距稍大;对于这一发现,改进了旋转型超声电机的激励方式,最终获得了改进式旋转型超声电机单侧驱动足的机械输出性能为:最大空载速度131.25mm/s和最大驱动力0.6N。
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