基于压电作动器的直线电机及其高效驱动

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基于压电叠层振动的一种直线电机的设计

压下，其最大输出位移为２ｐ，．．最大输出力大于５０。２ｍ０Ｎ
图２中，压电叠层ｌ和压电叠层２通过驱动足直接压紧。由
于压电叠层具有抗压能力强、承受剪切能力差的特点，设计了包括支座、圆柱销、转块、驱动足等的预紧机构。其中转块能够围绕圆柱销转动，这样能够保证驱动足对压电叠层的力始终为垂直于
驱动动子运动；在非驱动阶段，驱动足和动子处于脱离状态，动刚度过小不足以提供压电叠层所需要的预紧力。驱
足不对动子产生作用。设计中应保证驱动足和动子在非驱动阶段为此采用有限元对弹性梁的尺寸进行了仿真分析，图３如能够有效脱离，否则动子将会随驱动足做反方向运动。这样动子所示。驱动足的有限元模型，如图３ａ所示。（）选择驱动足的材料５ｔｌ采用Ｓｌ５ｅｏｉ４划分网格，ｄ拉杆最下端施加固定约束，在一个周期内将做往复运动，从而降低了电机系统的性能，直至库为４ｓｅ，电机停止运行。在输出梁的两个斜面施加输出力（以压强形式施加）驱动足的一。个有限元仿真结果图，如图３ｂ所示。改变弹性梁和柔性铰链的（）尺寸，对水平方向和竖直方向的位移输出进行仿真，按照电机的工作特性，要求在ｌＯＯＮ时驱动端的输出位移应超过２ｍ；１在预￣紧力为５００Ｎ时，弹性梁的变形应小于２经过仿真分析最终Ｏｍ。确定弹性梁的厚度为１ｒ柔性铰链的最小厚度为ｌｍ。．ｍ，２ａｍ
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基于位移放大结构的压电直线电机的研究

基于位移放大结构的压电直线电机的研究本课题来源于国家自然科学基金项目《压电精密致动技术的基础研究》（项目编号：50735002）。

基于压电陶瓷逆压电效应的直线电机具有定位精度高、断电自锁、功率密度高、零电磁干扰等优点，在超精密加工、定位技术应用方面有广阔的前景。

基于压电叠堆在低频率范围内的振动幅值大、驱动电压低的特点，提出并研制了两种基于位移放大结构的非共振式压电直线电机。

与之前非共振式压电电机相比，所设计电机在低频范围内输出速度与驱动频率的线性度更好，运行更为稳定。

主要的研究内容和成果概述如下：介绍了位移放大机构的种类和应用范围，并对柔性铰链的变形特性进行了理论研究，提出了避免压电叠堆受剪切力的结构设计方法，为电机的定子结构和叠堆预紧结构设计提供了参考。

提出了一种基于杠杆机构的压电直线电机的工作原理，说明了其工作过程。

提出了电机的设计方法，并利用有限元软件对电机的定子进行了优化设计。

在对样机实验的基础上提出了优化设计方法。

基于杠杆和三角放大原理，提出并设计了一种组合式放大机构，并将其运用在一种组合位移放大结构压电直线电机上。

采用有限元软件对电机的各参数进行了优化设计，并进行了谐响应分析，在电机初步调试的基础上设计了改进方案。

对两类直线电机进行了实验研究，实验结果表明基于杠杆结构的电机在低频率范围内输出力和速度稳定，基本无停滞现象出现；通过组合式电机上预留的调节机构，研究了该电机定子驱动足椭圆运动轨迹变化对电机性能的影响；基于组合位移放大的电机输出速度与驱动频率的线性度比之前的非共振式电机更好，达
到了预期设计目标。

压电叠堆泵驱动的新型直线马达

压电叠堆伸长时 ,泵腔活塞右移使腔体容积减小、出口阀开启、进口阀关闭 ,泵腔内液体进入液压缸上端 ,推动活塞向下运动一步 ,并将液压缸下端的流体推入蓄能器 ;随后 ,压电叠堆收缩 ,泵腔内流体压力降低 ,使进口阀开启、出口阀关闭 , 蓄能器内的流体被吸入泵腔。上述过程的反复进行即形成了液压缸活塞沿着某一方向的连续运动 ,其运动方向可通过换向阀调整。
公式 (6) 表明 , 当 F = 0 时 , 压电叠堆自由伸
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光学精密工程
第 17 卷
1 引言
压电叠堆驱动器以其结构简单 ,输出力大、响应快、无电磁干扰、能耗低、易于控制等特点 ,在航空航天、机械、生物工程等领域获得了广泛应用[122] 。但压电体自身变形小 ,无法满足同时需要高驱动力和大位移的场合 ,如直升机螺旋桨摆动/ 航空器表面振动/ 舵机伺服机构的自主控制等 ,因此 ,上述领域通常需要通过数毫/ 厘米的精密位移来加载/ 卸载数千牛顿的调整力[3] 。鉴于压电叠堆控制位移上的局限性 ,人们将压电驱动与摩擦传动相结合开发了压电直线马达 (电机或直线驱动器) ,成功地将压电体的微幅振动转换成了宏观的机械运动。已开发的压电直线马达包括超声马达、嵌位马达及惯性冲击马达等多种类型[427] ,某些结构的马达已产品化且被成功用于航空航天、机器人、精密定位及伺服控制等领域。近年来 ,人们提出一种液压传动和压电驱动技术相结合的新型压电液压驱动器 (本文称之为压电液压马达) , 以期获得较大的运动行程和驱动力[8211 ] 。目前 , 国外的研究大多集中在压电叠堆驱动与功能流体阀或主动阀控制相结合的类型上[829] ,而国内的研究还仅限于原理分析及模拟仿真阶段[10211 ] ,并无相关的试验研究报道。

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ａｄｒｃｕｒｅｔｓｅ — ｏｅｔｒａｄａｒｓｎａｉｃｉｓｐｒｐｏｅｃｏｒｉｇｔｈｅｃｒｕｔａａｙｓｓｉｅｔｃｒｎｔｐｕｐｃｎｖｒｅｎｅｏｎｔｃｒｕｔｗａｏｓｄａｃｄｎｏｔｉｃｉｎｌｉ
ＮａｊｎｎｖｒｉｆＡｅｏａｔｓｎｔｏａｔｓｎｉｇＵｉｅｓｔｏｒｎｕｉｄＡｓｎｕｉ，Ｎａｊｎ１０６Ｃｉａｙｃａｒｃｎｉｇ２０１，ｈｎ）
＊Ｃ０ｒｓ０ｒＰｇａｔｏ，－ｉ：ａｓｎ＠ｎａｅｕｃｕｈｒ电作动器；压电机；振电路；置电压谐偏
中图分类号：Ｍ３；Ｔ２ＴＮ３４８
文献标识码：Ａ
ｄｉ１．７８ＯＰ．０１９０２６ｏ：０３８／Ｅ２１１１．４４
Ｈｉｈｅｆｃｅｃｒｖｎｆｇｆｉｉｎｙｄｉｉｇｏｌｎａｏｏａｅｎｐｅｏｌｃｒｃａｔａｏｉｅｒｍｔｒｂｓｄｏｉｚｅｅｔｉｃｕｔｒ
Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ａｉｉｇａｈｈｒｃｍｉｇｆｔａｉｉｎｌｄｉｅｓｂｉｚｅｅｔｉａｔａｏｓｉｖｒｅｔｎｍｎｔｔｅｓｏｔｏｎｓｏｒｄｔｏａｒｖｒｙｐｅｏｌｃｒｃｃｕｔｒｎｏｅｈａｉｇ，ｄｉｉｇｓｇａｉｔｒｉｎａｄｈｇｐｅｅｕｒｍｅｔ，ｔｉｐｐｒｒｓａｃｅｒｖｎｅｈｄｆｒａｒｖｎｉｎｌｄｓｏｔｏｎｉｈｓｅｄｒｑｉｅｎｓｈｓａｅｅｅｒｈｓａｄｉｉｇｍｔｏｏｎｗｔｒｂｓｄｏｈｉｚｅｅｔｉｃｕｔｒｅｍｏｏａｅｎｔｅｐｅｏｌｃｒｃａｔａｏ．Ａｒｖｎｉｃｉｆｒｔｅｐｅｏｌｃｒｃｕｔｒｂｓｄｏｄｉｉｇｃｒｕｔｏｈｉｚｅｅｔｉａｔａｏａｅｎｃ
ｏａｇａａｉｉｅｌａｈｒｃｅｉｔｃｏｕｔｌｙｒｐｅｏｌｃｒｃａｔａｏ．Ａｎｏｆｅｉｃｉｗａｒｓｆｌｒｅｃｐｃｔｖｏｄｃａａｔｒｓｉｆａｍｌａｅｉｚｅｅｔｉｃｕｔｒｉｆｓｔｃｒｕｔｓｐｅ —
ＰＡＮｏｇ，ＨＵＡＮＧｅ— ｉｇＳｎＷｉｎ，ＷＡＮＧｎ，ＺＡＯｕ — ｈｎｑＹｉＨＣｈｎｓｅｇ
（ｔｔＫｅａｏａｏｙｏｃａｉｓｎｏｔｏｆＭｅｈｎｃｌＳｒｃｕｅ，ＳａｅｙＬｂｒｔｒｆＭｅｈｎｃｄＣｎｒｌｃａｉａｔｕｔｒｓａｏ
基于压电作动器的直线电机及其高效驱动
潘松黄卫清，寅，，王赵淳生
（南京航空航天大学机械结构强度与振动国家重点实验室，江苏南京２０１）１０６
摘要：由于传统的压电作动器驱动易造成严重发热、形欠佳以及处理速度要求较高等问题，文提出了一种新型的基波本于压电作动器的非共振型直线电机及其驱动方式。为满足作动器大容性负载特性及其驱动器对高频率的需求，过电通路匹配分析，出了直流升压变换器和谐振变换的驱动方案，计了偏压电路使输出驱动波形满足作动器驱动电压的要提设求。采用傅里叶变换对设计的电路波形及电路功率进行了分析与计算，果显示采用新驱动方式电路消耗的功率仅是结线性驱动方式的６．％。将设计的新驱动电路用于双作动器驱动的新型非共振型直线电机驱动实验表明，１７电机运转平稳，路功耗小，现了变频和变压驱动。电实
ｅｅｏｎｔｄｔｍｅｔｈｄｍａｏｂａａｃｄｏｔｇｉｉｇｏｆｔｅｏｌｃｒｃａｔｔ．ＴｈｅＦｏｉｒｅｔｅｅｎｄｆｕｎｌｎｅｖｌａｅｄｒｖｎｈｅｐｉｚｅｅｔｉｃｕａｏｒｕｒｅ
第１９卷
第１Ｏ期
光学精密工程
ＯｐｉｓａｄＰｅｉｉｎＥｎｉｅｒｇｔｎｒｃｓｏｇｎｅｉｃｎ
Ｖｏ．９Ｎｏ１１１．００ｃ．０１ｔ２１
２１０１年１Ｏ月
文章编号
１０ — ２Ｘ（０１１ — ４４００４９４２１）０２６—８