斜动子与塔形定子构成的单驱双动超声电机
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作 模 态频 率 一致 性要求 宽松 ， 加 了设计 的灵 活性 ， 增 减少 了安装 调试
时 间 ， 电结构 简单 且低 成本 ［ 。Ｓ ｓ ｉａＴ 等 ［］ 机 ｇ ａｈｄ １ ０
可能 性 ， 把塔 形顶 部设 计成 渐变 截面立 体收缩 状 。
陈乾 伟 ， 黄 卫 清
（ 南京 航 空 航 天 大 学 机 械 结 构 力 学 及 控 制 国家 重 点 实 验 室 摘要 南 京 ，１ ０ ６ ２０ １ ）
针 对 两 相超 声 电机 对 模 态 频 率 一 致 性 要 求 高 及 单 相 超 声 电 机难 于实 现 双 向 运 动 等 问题 ， 出 了一 种 单 相 驱 提
动 双 向 运 动 斜 动 子塔 形 直 线 超 声 电机 。动 子 相 对 于 塔 形 定 子 倾 斜 安装 ， 用 塔 形 定 子 的 面 内对 称 模 态 或 面 内弯 曲 利 模 态 为 工 作 模 态 ， 过 切 换 工作 模 态改 变 定 子 驱 动 足 运 动 轨 迹 相 对 于 动 子 的倾 斜 方 向 ， 现 动 子 正 、 向运 动 。在 通 实 反 分 析 电 机 工 作 原 理 及 设 计 原 则 的基 础 上 ， 导 了 电机 运 行 的 导轨 倾 角 适 用 范 围 ， 推 对设 计 制 作 的原 理 样 机 进 行 了模 态 实验 和机 械 特 性测 试 。实验 表 明 ， 导轨 倾 斜 角 为 ３ 。激 励 电 压为 ５ ０Ｖ， 压 为力 ４ ５Ｎ 的条 件 下 ， 内对 称 振动 在 ５， ０ 预 ． 面 模 态 工作 时 的最 大 空 载 速度 为 ７ ９ｍｍ／ ， 大 输 出 力 为 ０ ５Ｎ； 内弯 曲模 态 工 作 时 的最 大 空 载 速 度 为 ７ ６ｍｍ／ ， ｓ最 ． 面 ５ ｓ
最 大 输 出 力 为 ０ ８Ｎ。 ．
关键词
压 电 ； 相 驱 动 ； 声 电机 ； 斜 动 子 单 超 倾
Ｔ ３； Ｍ ５ ＴＨ１ ８ ３
中图分类号
形 板式直 线 型超声 电机 。这种 结构 与驱 动增加 了设
引 言
超声 电机 利用 压 电陶瓷元件 的逆 压 电效应 激发
计 和装调 的 困难 ， 能量利 用效 率低 。 ａ ｒ 等［］ Ｔ ｍｕ ａＨ １ 提 出单相 驱 动的纵 弯耦合 振 动板形 超声 电机 。电机 具 有 低 阶 和 高 阶两 个 纵弯 耦合 工作 模 态 ， 一个 模 态 参 与正 向驱 动工作 ， 一个模 态参与 反 向驱 动［］ 其 另 ｎ， 特 点与单相驱动 的矩形 板式直线 型超声 电机类似 。 针对 理 论斜直 线运 动轨迹 的超 声 电机或 只能单
图 １为塔 形 定 子结 构 示 意 图 ， 由加工 成 图 示 它
１ 塔形 定 子 与 斜 动 子 塔 形超 声 电机
装 调试 时 间 ， 制造成 本上 升［ ］ 使 １ 。斜 直线 轨迹 超声
电机 一 般属 于单 相 驱 动方 式 ， 采用 单 相 电路 进 行驱
平面 上的平 面塔形 金 属弹性 体 和通过环 氧树脂 粘 贴 在其 上的 ６张压 电 陶瓷片构 成 。塔形金 属 弹性体 由 两个 矩形柱 、 一个 柔性 放大 圆孔 和一个 驱动 足构 成 。 为 了减 少驱 动 足尖 部 的面 积 ， 同时增 加 其 弹性 变 形
第 ３ 第 １期 ２卷
２１ ０ ２年 ２月
振 动 、 试 与 诊 断 测
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ａｉｎ， ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ８ ａ ｎ ｓｓ ｏ ｒ ａ ｆＶｉｒ ｔｏ Ｍ ａ ｕ ｅ ｎ Ｌ Ｄｉｇ ｏ ｉ
Ｖｏ． ２Ｎｏ １ １ ３ ．
Ｆ ｂ ２ １ ｅ． ０２
斜 动 子 与塔形 定子 构 成 的单驱 双 动超 声 电机 。
向运 动 ， 设 计 和装 调 困 难 、 率 低 的 问题 ， 者 提 或 效 笔 出一种 理论 斜直线 运 动轨迹 的单 相驱动 双 向运 动 的 斜 动 子塔型 定子直 线超 声 电机 。
定 子 的超声振 动 ， 利用定 子和 动子之 间 的摩 擦作 用 ，
把定 子 的微 幅振 动转化 成动子 的宏 观运动 或直 接推 动 负载 的作 动器 。它具 有低速 大力 矩 、 电 自锁 、 断 无
个 固定 的角度 ， 构成倾 斜动 子 。 电机 只能单 向运 动 该 且磨 损严 重 ［ 。ＨｅＳｙ ａ ９ ］ ｉｕ ｎ等ｎ 提 出单 相 驱动 的矩
・
国 家 自然 科 学 基 金 资 助项 目（ 号 ：０ ３０ ２ Ｕ０ ３０ ４ ９ ８ ６ ０ ）教 育 部 创 新 基 金 资 助 项 目（ 编 ５ ７ ５ ０ ， ９ ４ ０ ，０ １ ０ ３ ； 编号 ：０ Ｏ ０ ７ ８５ ） 收 稿 Ｅ期 ：０ ０１—２ 修 改 稿 收 到 Ｅ期 ：０ １０ —７ ｌ ２ １ —１０ ； ｌ ２ １ －５２
图 ２为斜 动子塔 形超声 电机 结构示 意 图 。塔 形
提 出单 相驱 动 的倾斜 动子振 动片形 超声 电机 。电机
的 动子 表面 与 振动 片 顶端 接 触 ， 偏 离 垂直 方 向一 且
超声 电机 由塔 形 定 子 和动 子构 成 ， 子具 有 度 的 动 安装倾 斜角 ； 预压力 的作 用下 ， 在 动子压 在塔形 定 子 上 。倾 斜 的动子 与设 计有两 个正 交工作 模态 的塔 型
电磁干 扰 、 位 和速度控 制精 度高等 优点 ， 定 在精 密驱
动和特 殊环境 等领 域有 广泛 的应 用 ［ ¨ １ 。 按 照 定 子驱 动 足运 动 轨迹 的不 同 ， 声 电机可 超
分 为 理 论 椭 圆运 动 轨 迹 ［８和 理 论 斜 直 线 运 动 轨 １］ ＿
迹 ［１两 大类 。椭 圆轨 迹超 声 电机 一 般属 于两 相驱 ９１ －］ 动方式 ， 不足 之处在 于 ： 其 对两 个正 交 的工作模 态频 率 一致 性要 求严 格 ， 响 了设 计 的灵 活性 ， 加 了安 影 增
时 间 ， 电结构 简单 且低 成本 ［ 。Ｓ ｓ ｉａＴ 等 ［］ 机 ｇ ａｈｄ １ ０
可能 性 ， 把塔 形顶 部设 计成 渐变 截面立 体收缩 状 。
陈乾 伟 ， 黄 卫 清
（ 南京 航 空 航 天 大 学 机 械 结 构 力 学 及 控 制 国家 重 点 实 验 室 摘要 南 京 ，１ ０ ６ ２０ １ ）
针 对 两 相超 声 电机 对 模 态 频 率 一 致 性 要 求 高 及 单 相 超 声 电 机难 于实 现 双 向 运 动 等 问题 ， 出 了一 种 单 相 驱 提
动 双 向 运 动 斜 动 子塔 形 直 线 超 声 电机 。动 子 相 对 于 塔 形 定 子 倾 斜 安装 ， 用 塔 形 定 子 的 面 内对 称 模 态 或 面 内弯 曲 利 模 态 为 工 作 模 态 ， 过 切 换 工作 模 态改 变 定 子 驱 动 足 运 动 轨 迹 相 对 于 动 子 的倾 斜 方 向 ， 现 动 子 正 、 向运 动 。在 通 实 反 分 析 电 机 工 作 原 理 及 设 计 原 则 的基 础 上 ， 导 了 电机 运 行 的 导轨 倾 角 适 用 范 围 ， 推 对设 计 制 作 的原 理 样 机 进 行 了模 态 实验 和机 械 特 性测 试 。实验 表 明 ， 导轨 倾 斜 角 为 ３ 。激 励 电 压为 ５ ０Ｖ， 压 为力 ４ ５Ｎ 的条 件 下 ， 内对 称 振动 在 ５， ０ 预 ． 面 模 态 工作 时 的最 大 空 载 速度 为 ７ ９ｍｍ／ ， 大 输 出 力 为 ０ ５Ｎ； 内弯 曲模 态 工 作 时 的最 大 空 载 速 度 为 ７ ６ｍｍ／ ， ｓ最 ． 面 ５ ｓ
最 大 输 出 力 为 ０ ８Ｎ。 ．
关键词
压 电 ； 相 驱 动 ； 声 电机 ； 斜 动 子 单 超 倾
Ｔ ３； Ｍ ５ ＴＨ１ ８ ３
中图分类号
形 板式直 线 型超声 电机 。这种 结构 与驱 动增加 了设
引 言
超声 电机 利用 压 电陶瓷元件 的逆 压 电效应 激发
计 和装调 的 困难 ， 能量利 用效 率低 。 ａ ｒ 等［］ Ｔ ｍｕ ａＨ １ 提 出单相 驱 动的纵 弯耦合 振 动板形 超声 电机 。电机 具 有 低 阶 和 高 阶两 个 纵弯 耦合 工作 模 态 ， 一个 模 态 参 与正 向驱 动工作 ， 一个模 态参与 反 向驱 动［］ 其 另 ｎ， 特 点与单相驱动 的矩形 板式直线 型超声 电机类似 。 针对 理 论斜直 线运 动轨迹 的超 声 电机或 只能单
图 １为塔 形 定 子结 构 示 意 图 ， 由加工 成 图 示 它
１ 塔形 定 子 与 斜 动 子 塔 形超 声 电机
装 调试 时 间 ， 制造成 本上 升［ ］ 使 １ 。斜 直线 轨迹 超声
电机 一 般属 于单 相 驱 动方 式 ， 采用 单 相 电路 进 行驱
平面 上的平 面塔形 金 属弹性 体 和通过环 氧树脂 粘 贴 在其 上的 ６张压 电 陶瓷片构 成 。塔形金 属 弹性体 由 两个 矩形柱 、 一个 柔性 放大 圆孔 和一个 驱动 足构 成 。 为 了减 少驱 动 足尖 部 的面 积 ， 同时增 加 其 弹性 变 形
第 ３ 第 １期 ２卷
２１ ０ ２年 ２月
振 动 、 试 与 诊 断 测
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ａｉｎ， ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ８ ａ ｎ ｓｓ ｏ ｒ ａ ｆＶｉｒ ｔｏ Ｍ ａ ｕ ｅ ｎ Ｌ Ｄｉｇ ｏ ｉ
Ｖｏ． ２Ｎｏ １ １ ３ ．
Ｆ ｂ ２ １ ｅ． ０２
斜 动 子 与塔形 定子 构 成 的单驱 双 动超 声 电机 。
向运 动 ， 设 计 和装 调 困 难 、 率 低 的 问题 ， 者 提 或 效 笔 出一种 理论 斜直线 运 动轨迹 的单 相驱动 双 向运 动 的 斜 动 子塔型 定子直 线超 声 电机 。
定 子 的超声振 动 ， 利用定 子和 动子之 间 的摩 擦作 用 ，
把定 子 的微 幅振 动转化 成动子 的宏 观运动 或直 接推 动 负载 的作 动器 。它具 有低速 大力 矩 、 电 自锁 、 断 无
个 固定 的角度 ， 构成倾 斜动 子 。 电机 只能单 向运 动 该 且磨 损严 重 ［ 。ＨｅＳｙ ａ ９ ］ ｉｕ ｎ等ｎ 提 出单 相 驱动 的矩
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国 家 自然 科 学 基 金 资 助项 目（ 号 ：０ ３０ ２ Ｕ０ ３０ ４ ９ ８ ６ ０ ）教 育 部 创 新 基 金 资 助 项 目（ 编 ５ ７ ５ ０ ， ９ ４ ０ ，０ １ ０ ３ ； 编号 ：０ Ｏ ０ ７ ８５ ） 收 稿 Ｅ期 ：０ ０１—２ 修 改 稿 收 到 Ｅ期 ：０ １０ —７ ｌ ２ １ —１０ ； ｌ ２ １ －５２
图 ２为斜 动子塔 形超声 电机 结构示 意 图 。塔 形
提 出单 相驱 动 的倾斜 动子振 动片形 超声 电机 。电机
的 动子 表面 与 振动 片 顶端 接 触 ， 偏 离 垂直 方 向一 且
超声 电机 由塔 形 定 子 和动 子构 成 ， 子具 有 度 的 动 安装倾 斜角 ； 预压力 的作 用下 ， 在 动子压 在塔形 定 子 上 。倾 斜 的动子 与设 计有两 个正 交工作 模态 的塔 型
电磁干 扰 、 位 和速度控 制精 度高等 优点 ， 定 在精 密驱
动和特 殊环境 等领 域有 广泛 的应 用 ［ ¨ １ 。 按 照 定 子驱 动 足运 动 轨迹 的不 同 ， 声 电机可 超
分 为 理 论 椭 圆运 动 轨 迹 ［８和 理 论 斜 直 线 运 动 轨 １］ ＿
迹 ［１两 大类 。椭 圆轨 迹超 声 电机 一 般属 于两 相驱 ９１ －］ 动方式 ， 不足 之处在 于 ： 其 对两 个正 交 的工作模 态频 率 一致 性要 求严 格 ， 响 了设 计 的灵 活性 ， 加 了安 影 增