一种带插槽定子的压电超声线性微电机外文翻译资料-开题翻译网

一种带插槽定子的压电超声线性微电机

作者：Yun Cheol-Ho，Watson Brett，Friend James，Yeo Leslie

国籍：韩国，澳大利亚

出处：IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics,and Frequency Control

摘要：提出了一种新型的采用第一纵向和第二弯曲模式的超声波微线性电机，该定子具有矩形槽，具有矩形槽。槽结构在电机设计中起重要作用，不仅可以调节谐振频率，还可以减少定子端弯曲振动引起的纵向耦合位移。通过有限元分析，确定了提高驱动尖端运动的最佳插槽尺寸，从而提高了电机的性能。试验线性电机，重量为1.6g，最大驱动速度为1.12m/s，最大驱动力为

3.4N.在力为1.63N和速度为0.68m/s时，最大机械输出功率为1.1W。每单位重量的输出机械功率为688W/kg。

- 1. 产品简介

超声波学和压电马达可以是电磁电机的一个有吸引力的替代品的最终效应设备，如微型机器人连接^[1]和生物医学和移动等设备应用^[2]，因为它们有体积小，紧凑的结构，重量轻，和高机械输出的优点。

对于线性驱动的应用，已经开发了许多类型的超声波线性电机(USLM)。在各种超声波线性电机中，采用第一纵向和第二弯曲模式（l1B2）的双峰超声波线性电机是知名电机，可用高输出和高精度定位^[3]驱动。根据施工方法，USLMs可分为螺栓夹紧兰文传感器(BlT)型^[3]、^[4]、矩形压电板型^[5]-[8]和粘结金属/陶瓷型^[9]电动机。

与压电式d33相关联的BLT型USLM系数已成功发展到输出力为100n。然而，由与弯曲模式相关的纵向运动引起的耦合问题，可能会降低电机[4]的性能。采用更长的定子^[3]改进了耦合问题。然而，该BLT电机的施工方法是使用几种厚聚氧化钛酸铅(PZT)盘夹在带有螺栓的金属砌块。这种方法很复杂，而且使装配和缩小尺寸都很困难。

或者，使用压电振动的矩形压电板型和粘合金属/压电型USLMs系数可以使条件结构得很简单，规模也很小。一个著名的设计是：双模板USLMs已开发由纳米动力学研究（约骨，以色列)^[5]。该电机有一个驱动端放置在定子的一端，它将循环振动运动转移到压在它上的滑块上。其他矩形圆方形板产品类型USLM与两个驱动技巧已经被开发出来了^[5][9]，这是一个非常有吸引力的设计，保存安装程序共享空间。这些电机在设计上与纳米运动USLM相似，除了压电板的纵向排列与两个附加的驱动提示开启具有相同长度的一侧。两个驱动尖端连接在相对较高的弯曲偏移的位置上但是而不是最高的纵向位移位置，避免要考虑弯曲振动的耦合问题。然而，这样的设计将防止最大限度地发生并且电机正在实现这样的性能。

本文提出了一种新型的利用开缝结构的第一纵向和第二纵向弯曲模式的超声波线性微电机。该槽结构在电机设计中起着重要作用，可以调整相同谐振频率下的两种谐振模式，减小定子端弯曲振动引起的不良纵向耦合位移。

- 1. 施工和运营价格表

新型微超声电机的开槽杆式振动定子配置如图所示。1.定子由两个PZT（日本富士陶瓷公司C-213，日本富士陶瓷公司）和一个钛（Ti-6al-4V，Ti64）金属棒组成，矩形槽穿过棒长（采用计算机控制微放电加工工艺，微EDM加工）组成。两个PZT元素使用环氧树脂粘合到金属组件的两个相对扁平侧面。每个PZT元件的一面被分为两个具有相同极化方向的顶部电极和一个与地面连接的均匀形成的底部电极。PZT板的厚度方向偏化，如图1(a)中的厚箭头表示。定子有四个信号输入电极，以对角相连接，以激发振动。激发一对电极作为正弦输入，激发另一对电极作为余弦输入，如图1(c)所示。用以防止振动

图1.开槽杆式定子的配置：(a)cad模型；以及原型(b)侧视图和(c)三维视图的照片。

定子形状不平衡引起的变形，四个尖端（摩擦部件）对称放置在定子端部上，与定子形成一个体。

当两对电极以相同的相位和共振频率工作时，产生第一纵向（L1）模式，定子的尖端具有水平位移分量。在电极对的反相操作时，定子尖端随着第二次弯曲（B2）模式产生的垂直位移而振动。通过将两个电正弦波应用于具有时间90度相位差的两个电极对，同时激发相位差为90度的两个振动模式。结果，在定子的顶端激发椭圆运动，通过尖端和滑块^[4]之间的摩擦力驱动滑块。注意，定子一端的位置比另一端延迟了180度。因此，两端之一是接触反相并驱动滑块。通过改变两个电极对之间的驱动相位，则为尖端的椭圆运动会改变方向，从而导致滑块方向的反转。

- 1. 定子的设计

试验电机结构和方式简单，但定子驱动叶尖振动运动复杂。因此，一个简单的分析分析不足以进行设计。采用有限元分析(FEA)程序AN-SYS（AN-SYS公司，宾夕法尼亚州）对定子进行模态和谐波分析，并预测叶尖振动运动的时隙效应。有限元分析没有进行PZT和金属体之间的粘合层，因为这种模型更加复杂。模型的几何边界条件是自由自由情况。沿PZT元件表面的节点合并到电极，这在别处详细描述^[10]。该模型采用了一个完整的硬PZT(C-213，富士陶瓷公司)模型，包含了各向异性介电常数、压电应力耦合和刚度。分析相关的材料的特性见，其中钛或Ti-6al-4V （杨氏模量 114gPa ，泊松比 0.32 ，密度4300kg/m3)被用于定子的建模。FEA的模型定子和参数如图2所示。

图2.有限元分析的模型定子和参数。

图3.模态分析模拟结果对改变槽维数的影响。

金属阀体、摩擦尖端和PZT元件的尺寸分别固定在5times;5times;15mm、0.5times;5times;10mm和0.5times;0.5times;5mm处。插槽长度比(SLR = SL/VL)和插槽厚度比（STR = ST/VT）改变了。

为了获得大的机械输出，两种振动模式（L1和B2模式）应调谐为具有相同的共振频率，并正确设计驱动头的位移和运动方向。图3显示了不同插槽尺寸的模态分析模拟结果。当SLR和STR具有一定的尺寸比时，这两种振动模式具有相同的共振频率。尽管插槽尺寸不同，但通过改变SLR和STR比，可以设计定子，使两种模式具有相同的共振频率。匹配的共振频率（图3虚线)增加，STR(图3实线)就会降低。

利用谐波分析，根据尖端的位移结果确定了试验电机的最佳槽尺寸。图4显示了沿驱动尖端的位移结果

（点1和点2，见图2)因为图4.驱动尖端的位移结果与槽尺寸（点1和2，见图。由弯曲振动引起的3)。

图5.驱动尖端表面的位移角，根据图中的数据计算出图4。

弯曲的振动。如果设计正确，当定子被弯曲模式振动激发时，输出端将具有纯垂直位移(UY)。SLR/STR的最佳插槽比为0.764/0.26，其中尖端的水平位移(UX)几乎为0。在此条件下，L1和B2的共振频率为142.8kHz(见图3).省略纵向模式振动激发的输出尖端位移结果，但在本模拟工作范围内，整个槽比下垂直运动(UY)小于水平运动(UX)的2%。图5显示了根据图中的数据计算出的驱动尖端的位移角度。并显示了具有三种不同槽比的代表性振动形状，以更好地了解尖端振动的槽效应。虽然调整了三种形状的槽比，使L1和B2模式的共振频率相匹配，但尖端的运动与槽的形状有很大的不同。除了最佳的

图6.测量电动机运行特性的实验装置。

槽尺寸，定子端尖有弯曲振动引起的纵向联轴器位移。

- 1. 实验性设置

测量电机运行特性的实验装置如图6所示。定子由一个销支撑通过中央放置的安装孔，其中两个振动有一个共同的节点，提供了一种方法，以不干扰它保持振动。定子安装销已接地。使用一个130mm长的线性轴承(RSR-7，日本,香川THK公司)作为滑块，一个镜子抛光氧化铝摩擦板粘在线性轴承轨表面。滑块运动部件，包括氧化铝板的重量为35g。提供滑块和定子之间的预载荷，并通过改变螺旋弹簧长度进行改变。

V.电机的特性

使用阻抗分析仪（4294A安吉伦，加州圣克拉拉）在低压下测量试验电机的导纳特性。图7显示了测量的频率导纳和相位特性。为了测量同相驱动导纳，所有四个

输入电极都连接到高端子，定子的金属体连接到阻抗分析仪的测试装置的低端子。然而，为了测量反相驱动特性，一个电极对[正弦PZT，图1(c)]连接到高和另一对[余弦PZTs图1(c)]已连接到低点。内相驱动共振频率为143.25kHz，反相驱动共振频率为143.17kHz。

图7. 定子关于频率的导纳和相位特性：(a)同相驱动和(b)反相驱动。

使用LDV（AT0023 0070，日本横滨）^[10][11]测量定子的振动速度和滑块的驱动速度。图9显示了在143.25kHz和10V下使用LDV测量的两个接触尖的位移运动V0-p驱动具有90°相位差的定子电极对。这些实验结果表明尖端的椭圆运动与FEA计算结果很吻合。

根据滑块的时间测量速度计算出电机的驱动特性，如图9所示。从速度数据和滑块的质量来看，用中村^[12]开发的方法计算出马达在上升曲线上可以传递的力。在70V的驱动电压下测量了电机的负载特性V0-p且驱动频率为143.3kHz，其接近定子的谐振频率。预载荷更改为2.5、4、10、15N，驱动速度和力曲线如图10所示.一般来说，随着预负载的增加，最大滑动力也会增加。我们还注意到，预载荷15N时的最大滑动力几乎与与预载荷10N时的最大滑动力几乎相同。由于预负载和摩擦系数决定的摩擦力限制，在预负载2.5N和4N时最大驱动力饱和

图8.左右叶尖在10V时的振动运动0-p和143.25kHz。

图9.由ldV测量到的电机速度相对于时间的瞬态响应。图10.70V时电机的负载特性0-p和143.3kHz。

^[4]。随着预负载增加到4N以上，最大滑动速度略有下降。然而，在2.5N的预负载下，滑动速度与较高的预负载相比要低得多，这是在其他致动器^[10][13]中观察到的结果。这种低速可能是由接触刚度效应^[4]引起的。请注意，随着预负载的变化，谐振频率也会改变，因为驱动尖端和滑块之间的接触刚度直接影响定子的谐振频率。在低预负载条件下，弯曲模式的谐振频率低于纵向模式。然而，在较高的预负载条件下可以匹配两种模式的共振频率，因为弯曲模式的模式刚度比纵向模式^[4]受到预负载的影响更大。对于这个试验中的线性电机，重量为1.6g，我们引用在70V驱动电压下的空载速度为1.25m/s0-p且预负荷为4N。

图11显示了预载10N下两个方向的速度-力和机械输出功率特性。在该预载条件下，最大驱动速度1.12m/s，最大驱动力3.4N。最大机械输出功率

1.1W的力为1.63N，速度为0.68m/s。每单位重量的机械输出功率为688W/kg。本研究中的电机与近期根据施工方法选用的线性电机进行了比较，如图12所示机械输出功率和电机的重量。压动力电机和粘结金属/压动力电机的机械输出功率小于BlT型电机。然而，与BlT型电机相比，这些类型的输出功率密度（输出功率/单位重量）很大，因为定子的重量比BlT型电机要小得多。研究结果表明，小型电机更为有利

图11.10N预负荷时的负载特性70V0-p和143.3khz

图12.几种线性超声波电机的机械输出功率和功率密度与重量比较：本文（1)，(2)压电板电机(纳米)[5]，(3）粘合金属/压电电机(l1B4模式)等人。[14]、（4）BlT型电机（oslash;20）[3]、（5）BlT型v型电机（oslash;20）[15]和（6）BlT型电机（oslash;40）[4]。定子的直径为oslash;=。

输出功率密度。本研究中，电机单位重量的机械输出功率约是纳米计算的陶瓷电机的10倍（型号HR1，定子尺寸为3times;7.5times;29mm）。

在本研究中，采用钛(Ti64)作为定子材料，实现了比以往电机更高的电机性能。钛比PZT和磷青铜具有更低的密度和传输效率更高，它们分别用于纳米[5]和Rho电机^[14]的定子材料。此外，通过使用附加在最高弯曲和纵向位移位置的位置上的双驱动尖端，随着电机的驱动力每周期振动两次转移到滑块上，最大电机性能增加。此外，

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