短柱型直线超声波电机的设计.pdfVIP

第五届全国振动利用工程学术会议暨第四次全国超声电机技术研讨会 The Fifth Conference on Vibration Utilizing Engineering in China The Fourth Workshop on Ultrasonic Motor Techniques in China （CVUEC WUMTC2012 ） 185 短柱型直线超声波电机的设计 李朝东，官雄明，施征弘 （上海大学机电学院 上海，200072 ） 摘要 带有纵向振动兰杰文式夹心振子的立式直线超声波电机适合于较大输出推力的直线驱动场合。针对结构紧凑的应用 需要，本文论述一种缩短夹心振子长度的所谓短柱型直线超声波电机设计方法。本文采用双冲程式夹心振子直线超声波电机 设计方案，从理论上分析了该方案对于缩短电机高度、提高电机能量密度的合理性。经过对电机振子的分叉式配重设计与分 析，提出了该电机结构设计的合理化原则。设计并制作了一款双冲程式短柱型直线超声波电机样机。该电机具有立方体的外 形轮廓，十分紧凑，可以通过切换 2 组工作模态的相位差实现双向驱动。样机性能实验证实了 2 组需要的工作模态被有效的 激发出来。与单一夹心振子的棒型电机进行了对比，证明了双冲程式夹心振子直线超声波电机设计方案的有效性。样机的最 大外形尺寸小于 20mm，最大推力达到 7N，推力重量比达到 70 。 关键词 直线超声波电机，紧凑型，配重结构，高能量密度，双冲程式 中图分类号 TH113.1; TM359.4 Kazumasa Asumi 、Ryouichi Fukunaga 等对已开发出 引 言 的V 型夹心振子进行微型化设计，使其体积变为以前 的 58%，从 122mm×67mm 到 92mm ×52mm （长× 高），而其速度、推力和分辨率没有明显变差 [6] 。 超声波电机是 20 世纪 80 年代开始发展起来的 在 2010 年，韩国昌原国立大学的 Jong 和 Park 等研制 一种全新概念的微特电机。它是利用压电材料的逆 了优化的V 型超声波电机[7]；韩国首尔大学的Lee 压电效应，将电能转换为弹性体的机械振动能，并 和 Hang 等在 2011 年开发出了蝴蝶型的超薄直线超声 通过摩擦传动将超声频微观振动转换成运动体的 波电机[8]。 宏观转动或移动的新型驱动器[1]。它能够满足人们 对微特电机提出的诸多要求，具有直接驱动、体积 在国内，清华大学、哈尔滨工业大学、南京航 小、重最轻、结构紧凑、响应快、噪声低、断电自 空航天大学、东南大学和上海大学等高校相继投入 锁、无电磁干扰等特点[2,3]；在机器人、精密仪器 到超声波直线电机的研究中。1998 年，辜承林、董 仪表、医疗器械、航空航天及新型武器装备等领域 干通过对原理样机的实验研究，证实了双π型压电 有广泛的应用前景。国内外学者对超声波电机进行 超声波直线电机的合理性和可行性[9]。在2007 年， 了广泛的研究，建立了比较完整的超声波电机的基 东南大学的陈强、胡敏强、金龙等研制了采用兰杰 本理论[4]。 文振子的棒形弯纵复合大推力直线超声波电机 [10]，其总长为282mm ；哈尔滨工业大学的陈维山 直线型超声波电机作为超声波电机的重要分 等开发出了基于兰杰文振子的双向驻波型超声波 支，继承了超声波电机的优势，同时在直线驱动场