中国农业工程学会2005年学术年会论文集407新型直线超声电机复合振子设计及其有限元分析*罗平,张铁民(华南农业大学工程学院,广州510642)摘要：直线超声电机是近年来超声电机争辩与进展中的热点。本文设计了一种新型面内弯曲复合模态直线超声电机复合振子，并对其进展有限元模态分析，结果说明只通过转变压电陶瓷厚度H和弹性体主体厚度H1不能找到使其扇形弯曲振动与双曲弯曲振动的固有频率趋近全都的构造尺寸。在模态分析的过程中，需要不断变化复合振子的构造尺寸，设计了复合振子构造尺寸编辑器，节约了实体建模时间，提高了有限元分析效率。关键词：直线超声电机；复合振子；振动模态；分析：TM359.40引言直线超声电机是超声电机的一个重要分支,它是利用压电材料的逆压电效应,使弹性体振子在超声频域(20kHz以上)产生微观机械振动,通过振子和定子(或移动体)之间的摩擦作用,将超声振子的微观振动转换成定子(或移动体)的宏观直线运动。它与传统电磁式直线电机相比,具有以下特点[1]:(1)构造简洁、紧凑、功率密度大(是传统电机的3～10倍)、机电转化效率高。(2)定位精度高,响应快(响应时间为毫秒级)、灵敏度高,可断电自锁。在闭环条件下速度和位置把握性好,区分率高(达纳米级)。(3)低速大推力,抑制了传统电磁式直线电机力能指标低的弱点。1(4)外形可以多样化(圆的、方的、空心的、杆状的)；无振动噪声。(5)不产生磁场,不受外界磁场干扰。面内复合模态直线超声电机的根本构造如图1所示。其根本原理是:利用矩形压电复合层板作驱动振子,在同一鼓励电场的作用下,经由压电陶瓷的逆压电效应,在矩形压电复合层板面内产生两种不同的弯曲振动模态(如图2(a),2(b)),这两种模态在其与导轨的接触点复合形成椭圆运动(如图2(c)),在预紧力作用下,产生摩擦力驱动振子做直线运动,完成能量转换。1工程基金：国家自然科学基金资助工程〔60273065〕广东省自然科学基金资助工程〔010316〕作者简介：罗平，1983年12月生，男，汉，安徽省亳州市人，硕士在读，争辩方向：计算机测试与把握。email:luoping303@163张铁民，1961年11月生，男，汉，黑龙江安达市人，博士、博士生导师，教授，争辩方向：微电机系统的争辩与应用。email:tm-zhang@163---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---图1矩形压电复合层板直线超声电机Fig.1Schematicdiagramofultrasoniclinearmotor图2两种弯曲振动模态及其合成Fig.2Thebendingmodesofvibrator复合振子是面内复合模态直线超声电机的核心部分，从面内复合模态直线超声电机的运行机理可知，面内复合模态直线超声电机设计的关键是设计合理的复合振子构造，使其扇形弯曲振动的固有频率与双曲弯曲振动的固有频率趋近全都，到达同频谐振。1复合振子的构造设计及材料选择1.1新型复合振子的构造设计华南农业大学工程学院已研制出两种构造的面内复合模态直线超声电机复合振子：四齿构造和均齿结构，它们的长、宽相等，如图3所示。通过对其进展试验测试，测的最大驱动力可达1.2N,电机最大无负载速度为458.3mm/s。为进一步提高电机性能，并与上述两种构造的复合振子进展比较，在保持复合振子长宽尺寸不变的情况下，设计了一种新型构造的复合振子，为十二齿结---本文来源于网络，仅供参考，勿照抄，如有侵权请联系删除---408中国农业工程学会2005年学术年会论文集构，构造图及其实体模型如图4所示。〔a〕复合振子1〔均齿构造〕〔b〕复合振子2〔四齿构造〕图3已研制的复合振子的构造Fig.3Thestructureofdesignedcompositevibrators图4新型复合振子的构造图及实体模型Fig.4Structureandmodelofanewtypecompositevibrator1.2材料选择作为面内复合模态直线超声电机的核心局部，复合振子是由金属弹性体和压电陶瓷〔P主题〕粘构造成，复合振子分上中下三层，上层为压电陶瓷，中间为粘结层，下层为金属弹性体。在本争辩中，压电陶瓷承受大功率放射型的P主题-4锆钛酸铅压电陶瓷这种二元系统的压电材料，压电陶瓷在外表上附着电极，在厚度方向〔Z轴〕极化，在压电陶瓷外表形成等势面。复合振子的弹性体材料选择黄铜，粘结材料选择ESP108环氧胶...