張百亮， 姚志遠(yuǎn)， 簡 月， 李曉牛

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016)

直線超聲電機(jī)是一種新型作動(dòng)器，利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為定子機(jī)械振動(dòng)能，再通過摩擦作用將定子的機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)子的動(dòng)能。它具有結(jié)構(gòu)簡單、直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載、斷電自鎖、低噪聲、無電磁干擾和定位精度高等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、武器裝備和精密儀器等領(lǐng)域[1-2]。近年來直線超聲電機(jī)的研究受到關(guān)注，多種滿足特定使用要求的新構(gòu)型直線超聲電機(jī)[3-12]陸續(xù)提出和開發(fā)，以滿足不同場合對作動(dòng)器的需求[13]。例如，物理光柵三維掃描儀需要在29 mm×23 mm×3 mm狹小空間內(nèi)調(diào)整光柵位置[14]；緩沖氣囊在著陸緩沖過程需要體積小、執(zhí)行力大、響應(yīng)快的作動(dòng)器實(shí)時(shí)控制氣囊排氣口大小[15]；引信安全系統(tǒng)中需要扁平結(jié)構(gòu)的作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)引信隔爆機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，且要求作動(dòng)器無電磁干擾[16]。板形直線超聲電機(jī)因具有扁平化結(jié)構(gòu)、空間利用率高和易微型化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)[17]，特別適用于上述安裝空間狹窄且需要一定推力的直線驅(qū)動(dòng)場合，因而板形直線超聲電機(jī)有著良好的應(yīng)用前景。

在結(jié)構(gòu)形式上，板形直線超聲電機(jī)最簡單的定子形式為矩形結(jié)構(gòu)。Tomikawa等[18]設(shè)計(jì)了一種貼片式的矩形板結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)，它利用矩形板同頻的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，在驅(qū)動(dòng)足處形成橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)。該電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單和運(yùn)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，更利于設(shè)計(jì)。此后，類似矩形板結(jié)構(gòu)電機(jī)[19-21]被相繼提出，它們多采用矩形板縱、彎振耦合模態(tài)和貼片式結(jié)構(gòu)。然而，在一個(gè)結(jié)構(gòu)上同時(shí)配置縱振陶瓷片和彎振陶瓷片激發(fā)兩相振動(dòng)，一定程度上增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性；貼片式結(jié)構(gòu)利用壓電陶瓷的d31模式，定子能量轉(zhuǎn)換效率較低，推力小。此外設(shè)計(jì)的定子要求兩相工作模態(tài)頻率接近，無疑增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，降低了電機(jī)設(shè)計(jì)的靈活性。采用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)是解決模態(tài)頻率一致性問題的一種途徑[22]。Liu等[23]提出了一種單模態(tài)驅(qū)動(dòng)的直線壓電電機(jī)。該電機(jī)定子為一板結(jié)構(gòu)壓電振子，分別采用縱振和彎振的激勵(lì)方式激發(fā)板的兩相振動(dòng)模態(tài)，通過切換兩相模態(tài)實(shí)現(xiàn)電機(jī)雙向運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明定子兩相模態(tài)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能存在差異，且在彎振激勵(lì)的模態(tài)下，電機(jī)具有更大的輸出力和更高的能量轉(zhuǎn)換效率。

在滿足狹窄空間、大推力作動(dòng)需求的應(yīng)用背景下，為克服模態(tài)耦合型超聲電機(jī)的頻率一致性調(diào)節(jié)要求的限制，本文提出了一種單模態(tài)、大推力直線超聲電機(jī)。該電機(jī)利用兩矩形板同相或反相彎曲振動(dòng)所形成的對稱或反對稱模態(tài)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。兩模態(tài)均由板的面內(nèi)彎曲振動(dòng)產(chǎn)生，一方面，只需配置彎振陶瓷片便可激發(fā)兩相振動(dòng)模態(tài)，簡化了定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；另一方面，利用板結(jié)構(gòu)振動(dòng)效率較高的彎曲振動(dòng)，有利于設(shè)計(jì)出大輸出力和大功率的超聲電機(jī)。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為基于彎曲模態(tài)的板形直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)。該電機(jī)由定子、直線導(dǎo)軌、預(yù)壓力施加裝置和底座組成。圖2為定子結(jié)構(gòu)，它由前端蓋、壓電陶瓷片、電極片、夾持、后端蓋和螺栓等部件構(gòu)成。前端蓋的兩個(gè)端面均有螺紋孔，利用內(nèi)六角螺栓使得前端蓋、后端蓋、壓電陶瓷片和電極片連接為一體，構(gòu)成了兩個(gè)相互垂直的矩形振子。兩振子關(guān)于前端蓋的正對角線軸對稱，驅(qū)動(dòng)足位于前端蓋頂點(diǎn)。夾持件呈L形，拐角處采用柔性圓弧連接，以降低因機(jī)械加工誤差造成的裝配難度。

圖1 基于彎曲模態(tài)的板形直線超聲電機(jī)

圖2 定子結(jié)構(gòu)

定子配置8片彎振壓電陶瓷片，分為4對。每對彎振陶瓷片關(guān)于夾在其中間的電極片對稱布置，即每對陶瓷片一側(cè)同時(shí)膨脹時(shí)，另一側(cè)同時(shí)收縮；反之亦然，以激發(fā)矩形板的彎曲振動(dòng)。將位于同一振子上的兩電極片用導(dǎo)線連接，構(gòu)成定子的A、B相。

直線導(dǎo)軌用螺栓固定在底座上，導(dǎo)軌一邊粘貼一片Al2O3陶瓷條，以提高驅(qū)動(dòng)足和導(dǎo)軌接觸界面的耐磨性。電機(jī)裝配時(shí)，定子一邊與導(dǎo)軌平行放置，夾持一端通過螺栓鉸支在底座上，另一端通過預(yù)壓力彈簧使驅(qū)動(dòng)足緊壓在陶瓷條上，為二者接觸界面提供法向預(yù)壓力，通過調(diào)節(jié)螺栓壓縮彈簧的形變量改變法向預(yù)壓力的大小。這種一端鉸支，一端施加預(yù)壓力的夾持方式，限制了定子的平動(dòng)自由度，使得定子只能繞鉸支點(diǎn)做微幅轉(zhuǎn)動(dòng)。其次，利用杠桿原理，可施加大預(yù)壓力，同時(shí)保證電機(jī)輸出性能的穩(wěn)定。

該電機(jī)采用單模態(tài)驅(qū)動(dòng)方式，分別利用如圖3所示的反對稱模態(tài)和對稱模態(tài)，以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng)。在自由邊界條件下，定子A、B兩相施加相位差為π的正弦激勵(lì)時(shí)，兩振子做反相彎曲振動(dòng)，形成反對稱模態(tài)(圖3(a))，此時(shí)驅(qū)動(dòng)足沿垂直于定子對稱軸的方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)足在預(yù)壓力的作用下與導(dǎo)軌接觸時(shí)，考慮到驅(qū)動(dòng)足處的彈性變形，驅(qū)動(dòng)足上接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡將變成一個(gè)傾斜的扁平橢圓軌跡[24]。接觸點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)單向地間歇驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，進(jìn)而推動(dòng)導(dǎo)軌沿oy的反方向做直線運(yùn)動(dòng)。同理，定子A、B兩相施加相位差為0的正弦激勵(lì)時(shí)，兩振子做同相彎曲振動(dòng)，形成對稱模態(tài)(圖3(b))，此時(shí)驅(qū)動(dòng)足沿定子對稱軸做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)并在接觸狀態(tài)下產(chǎn)生反向的橢圓運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)導(dǎo)軌沿oy方向運(yùn)動(dòng)。

(a) 反對稱模態(tài)

(b) 對稱模態(tài)

2 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定子作為電機(jī)的核心部件，既關(guān)系到電能到機(jī)械振動(dòng)能的轉(zhuǎn)換效率，又關(guān)系到定子機(jī)械振動(dòng)能到動(dòng)子動(dòng)能的傳遞效率。因此定子設(shè)計(jì)是整個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，它包括壓電陶瓷片和夾持位置設(shè)計(jì)以及開槽尺寸設(shè)計(jì)。

2.1 壓電陶瓷片和夾持位置設(shè)計(jì)

壓電陶瓷片作為將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的元件，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)變激振，其配置位置影響所需模態(tài)能否有效激發(fā)。夾持關(guān)系到電機(jī)輸出性能的穩(wěn)定。二者位置需在定子上合理配置，以提高模態(tài)激發(fā)效率，降低夾持對模態(tài)的影響。

圖4為定子結(jié)構(gòu)參數(shù)。定子厚度為8 mm，壓電陶瓷片厚2 mm，夾持件厚度為4 mm。前端蓋端面伸出長度為l1，后端蓋的寬度為l2，且l1+l2=20 mm，以滿足定子最大特征尺寸為62 mm的設(shè)計(jì)要求。

圖4 定子結(jié)構(gòu)參數(shù)(mm)

設(shè)夾持件中心位置到驅(qū)動(dòng)足的距離為xc，則xc=36+l1?？梢?，l1的大小直接影響壓電陶瓷片和夾持的安置位置，而二者安置位置需根據(jù)定子工作模態(tài)振型設(shè)計(jì)。由于定子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以通過理論分析獲得定子的精確振型。為此借助ANSYS對定子進(jìn)行模態(tài)分析，研究結(jié)構(gòu)參數(shù)l1對振型的影響。提取單個(gè)振子的彎曲振型如圖5所示。

圖5 單個(gè)振子振型

圖5表明單個(gè)振子彎曲振動(dòng)時(shí)反對稱模態(tài)的彎曲振型波峰(或波谷)位置(記為x1)與對稱模態(tài)的彎曲振型波峰(或波谷)位置(記為x2)不重合，有一定間距。根據(jù)超聲電機(jī)設(shè)計(jì)理論，壓電陶瓷元件應(yīng)安置在定子應(yīng)變最大處。對于彎振模態(tài)，其應(yīng)變最大處位于彎振波峰位置，且該處截面轉(zhuǎn)角位移為0，利于安置夾持。因此應(yīng)將壓電陶瓷片和夾持安置在彎振的波峰或波谷處。所以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)將壓電陶瓷片關(guān)于夾持對稱布置，以使壓電陶瓷片中心位置和夾持件中心位置重合，均為xc。

由于兩模態(tài)彎曲振型的波峰位置不重合，為此調(diào)節(jié)l1大小，使兩振型的波峰位置盡可能靠近，并使夾持件中心盡量靠近振型波峰位置。這樣設(shè)計(jì)的好處在于只需配置一套彎振陶瓷片便能有效地激發(fā)出兩工作模態(tài)，同時(shí)減小夾持對模態(tài)的影響。因此可定義

(1)

來定量表示夾持件中心位置和兩工作模態(tài)彎曲振型波峰位置的靠近程度。

由式(1)可以看出，Δx越小，夾持件中心位置越靠近振型波峰位置。Δx隨l1的變化關(guān)系如圖6所示。圖6說明夾持件中心位置更靠近對稱模態(tài)的波峰位置，并且Δx隨著l1的增大而增大。由于需要對前端蓋和夾持件間的電極片引導(dǎo)線焊接，前端蓋的端面至少要伸出4 mm，留出空間以便于接線操作。因此確定參數(shù)l1為4 mm，此時(shí)夾持件中心位置偏離兩工作模態(tài)波峰位置的平均距離為3 mm，在可接受范圍內(nèi)。上述參數(shù)下的定子工作模態(tài)見圖3，此時(shí)定子的反對稱和對稱模態(tài)頻率分別為25.92 kHz和28.32 kHz。

圖6 振型波峰位置隨l1的變化關(guān)系

Fig.6 Relationship between position of wave peak of mode shape andl1

2.2 開槽尺寸設(shè)計(jì)

由電機(jī)工作原理知，定子驅(qū)動(dòng)足運(yùn)動(dòng)軌跡為一條傾斜直線，具有平行于定子與導(dǎo)軌接觸界面的切向分量和垂直于接觸界面的法向分量振動(dòng)位移。法向分量起到使驅(qū)動(dòng)足周期性地接觸或脫離導(dǎo)軌以及提供驅(qū)動(dòng)足與導(dǎo)軌間的動(dòng)態(tài)預(yù)壓力的作用；切向分量起到驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌的作用。因此定子驅(qū)動(dòng)足振幅大小對電機(jī)輸出性能有著重要影響，提高驅(qū)動(dòng)足振幅能更有效地驅(qū)動(dòng)導(dǎo)軌，有利于提高電機(jī)的輸出力和輸出速度。

從電機(jī)工作模態(tài)可以看出，對稱模態(tài)在驅(qū)動(dòng)足附近存在振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)足處振幅較小。利用ANSYS有限元計(jì)算，給定子施加200 Vpp交流電壓信號，在工作模態(tài)頻率附近進(jìn)行諧響應(yīng)分析，計(jì)算發(fā)現(xiàn)：反對稱模態(tài)下驅(qū)動(dòng)足振幅為3.4 μm，而對稱模態(tài)下的振幅僅有0.389 μm。這說明電機(jī)由對稱模態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)，性能將會極差。

開槽是控制振動(dòng)體模態(tài)特性的一種方法。對于板狀定子，采用電火花線切割加工技術(shù)對其開設(shè)通槽，加工簡單易行。因此文章通過對前端蓋開設(shè)通槽，改變模態(tài)特性，消除振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，以增加對稱模態(tài)下的驅(qū)動(dòng)足振幅。前端蓋按圖7所示的方法開槽，以前端蓋右下角頂點(diǎn)C點(diǎn)為圓心，在前端蓋內(nèi)螺紋兩側(cè)各開一道寬度為0.5 mm，半徑分別為R1和R2的90°圓弧通槽，以盡量“切斷”前端蓋對稱模態(tài)的節(jié)點(diǎn)區(qū)域。

參數(shù)R1和R2確定了所開通槽的大小，因此可將其選作設(shè)計(jì)變量對開槽尺寸進(jìn)行優(yōu)化，即設(shè)計(jì)變量為

X=[R1R2]T

(2)

驅(qū)動(dòng)足部分僅通過前端蓋頸部AB和A′B′與定子剩余部位連接，考慮連接強(qiáng)度和避開內(nèi)螺紋開槽等因素，設(shè)計(jì)變量X的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間取為

圖7 定子前端蓋開槽方法(mm)

D={X|R1∈[17.5,22],R2∈[8,13]}

(3)

在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，對定子的設(shè)計(jì)要求需通過定義目標(biāo)函數(shù)來表征。設(shè)驅(qū)動(dòng)足的x方向和y方向振動(dòng)分量的振幅分別為Aix和Aiy，相位分別為φix和φiy，其中i=1或2，分別表示反對稱模態(tài)或?qū)ΨQ模態(tài)情況。則驅(qū)動(dòng)足在對稱或反對稱模態(tài)下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)為

(4)

因?yàn)樵诙ㄗ拥挠邢拊Ｐ椭?，兩矩形振子完全對稱，理論上驅(qū)動(dòng)足在對稱或反對稱模態(tài)下的運(yùn)動(dòng)軌跡為一傾斜直線，且x和y方向的振幅相等，亦即φiy-φix=±π或0，Aix=Aiy。優(yōu)化的目標(biāo)是通過選擇合適的開槽尺寸R1和R2，盡可能地增大對稱和反對稱模態(tài)下驅(qū)動(dòng)足的振幅，由于Aix=Aiy，因此優(yōu)化模型可表示為

(5)

式中,λi為加權(quán)系數(shù)，滿足λ1+λ2=1。引入加權(quán)系數(shù)是因?yàn)樵O(shè)計(jì)變量對不同模態(tài)下的驅(qū)動(dòng)足處振幅的影響程度也不同。

為研究變量R1和R2對兩模態(tài)振幅的影響規(guī)律，利用ANSY有限元計(jì)算，得到參數(shù)R1和R2對振幅的影響如圖8所示，其中圖8(a)為R2=8 mm時(shí)，驅(qū)動(dòng)足振幅Aiy隨R1的變化規(guī)律。圖8(b)為R1=22 mm時(shí)，Aiy隨R2的變化規(guī)律。

從圖8可以看出，對稱模態(tài)下的振幅A2y要比反對稱模態(tài)下的振幅A1y小，且A2y隨R1的增大而增大，隨R2的增大先增大后減小。參數(shù)R1和R2主要影響A2y，而對A1y影響較小。因此加權(quán)系數(shù)可取為λ1=0.2,λ2=0.8。

(a) 參數(shù)R1

(b) 參數(shù)R2

(a) 反對稱模態(tài)

(b) 對稱模態(tài)

表1為定子開槽前后定子的有限元分析結(jié)果對比。從表中可以看出，通過開槽，定子對稱和反對稱模態(tài)的頻率略有增大，且振幅均得到了增加，其中反對稱模態(tài)振幅增加了14%，對稱模態(tài)振幅提高了3.6倍。對比開槽前后定子的模態(tài)(圖2和圖9)，通過開槽切斷了前端蓋驅(qū)動(dòng)足附近的節(jié)點(diǎn)區(qū)域，從而驅(qū)動(dòng)足處振幅得到增大。

表1開槽前后定子的有限元分析結(jié)果對比

Tab.1Comparisonoffiniteelementanalysisresultsbeforeandafterslotting

反對稱模態(tài)對稱模態(tài)f1/kHzA1y/μmf2/kHzA2y/μm未開槽25.923.428.320.389開槽后27.033.87329.161.8

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 定子模態(tài)實(shí)驗(yàn)

依據(jù)有限元設(shè)計(jì)所得尺寸加工裝配出未開槽和開槽后的樣機(jī)如圖10所示。

圖10 樣機(jī)照片

采用德國Polytec公司生產(chǎn)的PSV-300F-B型多普勒激光測振儀對樣機(jī)進(jìn)行振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)。首先對定子進(jìn)行掃頻測試。由于驅(qū)動(dòng)足表面為曲面，其法向振動(dòng)不易測試，因此選擇兩樣機(jī)的前端蓋上靠近驅(qū)動(dòng)足的一個(gè)側(cè)端面作為測試面測試定子的頻響特性曲線。圖11為在給定子A、B兩相施加相位差為π或0的80 Vpp激勵(lì)電壓下，定子的頻響特性曲線。從圖11可以看出，各樣機(jī)的兩條頻響特性曲線分別有一峰值，對應(yīng)的頻率即為反對稱模態(tài)共振頻率f1和對稱模態(tài)共振頻率f2。未開槽樣機(jī)的對稱模態(tài)速度頻響峰值很小，開槽后樣機(jī)的對稱模態(tài)速度頻響峰值有較大增加，甚至接近反對稱模態(tài)的頻響峰值。

接著依次對兩種樣機(jī)在各自共振頻率f1和f2下進(jìn)行定頻實(shí)驗(yàn)，按照圖12中的測試方法測試兩個(gè)測試面的振型和靠近驅(qū)動(dòng)足的測試點(diǎn)P點(diǎn)沿測試面-2法向的振幅。圖13為開槽后樣機(jī)的振型圖。圖13(a)表示兩振子做反相彎曲即為反對稱模態(tài)，圖13(b)表示兩振子做同相彎曲即為對稱模態(tài)，測試的振型與圖9中計(jì)算的理論振型基本一致。測定P點(diǎn)振幅時(shí)給定子施加頻率為f1或f2，相位差為π或0的80 Vpp正弦激勵(lì)電壓以激發(fā)定子的反對稱或?qū)ΨQ模態(tài)。兩種樣機(jī)的模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

由模態(tài)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過開槽，定子對稱模態(tài)的振幅有了較大提高，同時(shí)反對稱模態(tài)的振幅也有所增加。與有限元仿真結(jié)果比較，定子的兩相工作模態(tài)實(shí)際頻率下降了1.2 kHz左右。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在差別，主要是因?yàn)樵贏NSYS仿真過程中有限元模型采用了簡化，且未考慮螺栓對壓電陶瓷的預(yù)壓力，以及存在加工和裝配誤差等因素。

(a) 未開槽樣機(jī)

(b) 開槽后樣機(jī)

圖12 振動(dòng)測試方法

反對稱模態(tài)對稱模態(tài)頻率f1/kHzP點(diǎn)振幅/μm頻率f2/kHzP點(diǎn)振幅/μm未開槽24.780.827.150.14開槽后25.681.127.940.7

(a) 反對稱模態(tài)振型

(b) 對稱模態(tài)振型

圖13 定子振型圖

Fig.13 Mode shapes of stators

3.2 樣機(jī)機(jī)械輸出特性

圖14為測試電機(jī)輸出特性的實(shí)驗(yàn)平臺。采用一臺信號發(fā)生器(AFG3022B)和兩臺功率放大器(HFVP-153)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)吊有砝碼(作為負(fù)載)的直線導(dǎo)軌雙向運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)速度通過高速激光位移傳感器(KEYENCE LK-H150)測得。

圖14 電機(jī)輸出特性實(shí)驗(yàn)平臺

首先對未開槽樣機(jī)性能進(jìn)行測試。經(jīng)測試，在激勵(lì)電壓為500 Vpp時(shí)，未開槽樣機(jī)在反對稱工作模態(tài)下的最大空載速度為308 mm/s(預(yù)壓力為100 N);最大輸出力為50 N(預(yù)壓力為200 N)。但是，未開槽樣機(jī)在對稱模態(tài)頻率附近卻無法運(yùn)動(dòng)，即未開槽樣機(jī)的對稱模態(tài)由于驅(qū)動(dòng)足處振幅過小而無法驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

接著重點(diǎn)研究開槽后樣機(jī)的輸出性能。圖15為在預(yù)壓力100 N，激勵(lì)電壓500 Vpp下，開槽后樣機(jī)的空載速度頻率特性曲線。由圖15可知，在工作頻率范圍內(nèi)，電機(jī)空載速度隨頻率的增大先增大后減小。反對稱工作模態(tài)在頻率22.8 kHz附近空載速度最大，最大速度為305 mm/s；對稱工作模態(tài)在頻率26.6 kHz附近空載速度最大，最大速度為329 mm/s。該電機(jī)兩個(gè)方向的速度頻率特性曲線還具有一個(gè)特點(diǎn)，在中間段的工作頻率區(qū)間內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行速度變化很小，基本保持穩(wěn)定，說明該電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，具有較大工作頻率帶寬。

(a) 反對稱模態(tài)

(b) 對稱模態(tài)

圖16為開槽后樣機(jī)在不同預(yù)壓力下的機(jī)械輸出特性曲線。由圖16可以看出，電機(jī)的輸出速度隨著負(fù)載的增加而下降，而且預(yù)壓力越小，這種下降趨勢越急劇。適當(dāng)增大預(yù)壓力可提高電機(jī)的負(fù)載性能：在200 N預(yù)壓力，500 Vpp激勵(lì)電壓下，對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)可驅(qū)動(dòng)的負(fù)載分別為50 N和70 N。電機(jī)定子重183.2 g，最大推重比可達(dá)38.2。與未開槽樣機(jī)比較，開槽后樣機(jī)反對稱模態(tài)的輸出力提高了40%，對稱模態(tài)可較好地驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且輸出力大。

4 結(jié) 論

提出了一種基于矩形板彎曲振動(dòng)的單模態(tài)、大推力直線超聲電機(jī)，它分別利用定子的對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的雙向運(yùn)動(dòng)。

研究表明開槽會影響定子的振動(dòng)特性，通過在定子前端蓋開設(shè)兩道圓弧形通槽，消除了對稱模態(tài)在驅(qū)動(dòng)足處的振動(dòng)節(jié)點(diǎn)，增加了對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)在驅(qū)動(dòng)足處的振幅。

(a) 反對稱模態(tài)

(b) 對稱模態(tài)

研制了直線超聲電機(jī)樣機(jī)，并開展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明，通過開槽，定子驅(qū)動(dòng)足處振幅和電機(jī)機(jī)械輸出性能明顯提高，特別是對稱模態(tài)下的電機(jī)輸出性能。開槽后樣機(jī)最大速度和推力分別為329 mm/s和70 N。該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，推力大，可用于電機(jī)安置空間狹窄且需要大推力的直線驅(qū)動(dòng)場合，有較大的應(yīng)用前景。