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1、直线超声电机的研究摘要：本文主要讲了直线超声电机的运动机理、分类，叙述了国内外直线超声电机的发展及研究现状。总结了国内外直线超声电机的应用领域和前景。关键词：直线超声电机；超声电机；直线电机0 引言超声电机是近20才发展起来的一种新型驱动装置。它采用了与传统电磁型电机截然不同的全新原理和结构形式，不需要磁铁和线圈，利用压电材料的逆压电效应，激发某种特定形式的超声振动来将电能转换成机械能，从而获得运动和力(矩)的输出。这种新型电机一般工作于20 kHz以上，故称为超声电机。超声电机具有电磁电机所不具备的许多优点，如低速大扭矩、不需齿轮箱即可直接驱动负载、扭矩体积比大、结构紧凑、响应快、有静态保持
2、力矩等，能满足宇宙飞船、人造卫星、导弹、机器人、精密仪器、医疗器械等高新技术产业对电机所提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等特殊要求。直线超声电机是20世纪80年代初开发出来的一种新型电机，能直接产生直线运动和直接输出推力，具有控制性能好，可步进、伺服工作，容易同计算机接口相连，实现智能化和机电一体化，无需运动转换机构，可以直接驱动等优点，开发前景非常广阔。随着超声电机应用领域的拓宽，直线超声电机越来越受到人们的重视，已成为国内外超声电机的研究热点。1 直线超声电机研究现状11直线超声电机的驱动原理及分类直线超声电机主要由驱动振子和直线导轨(或滑块)两部分组成。其中，驱动振子一般由压电元件和
3、弹性体构成，其驱动原理是利用压电元件激励出弹性体的超声频域共振，并使驱动面上的质点产生椭圆运动，借助摩擦力推动驱动振子，或固定驱动振子而推动滑块前进。电机弹性定子所驱动的移动体作直线运动，而非转子电机的旋转运动。直线超声电机诞生至今，尚无统一的分类标准。根据把超声振动变换为沿一定方向驱动力的方法不同，可分为行波型和驻波型两类，根据定子(动子)的工作型式不同，又可分为自行式和非自行式；根据电机的尺寸看，可从毫米级到厘米级。由于超声电机主要是利用超卢振动来工作的，因此以其振动的特定模式(如弯曲、扭转、纵振等)为核心来进行分类，比较能反映出超声电机的特点，目前开发出的超声电机主要类型如图1所示。图1
4、 直线型超声电机的分类12国内外直线超声电机的研究现状1.2.1国外现状自80年代开始，国外一些从事超声电机技术研究的学者和科研机构就着手直线超声电机的研究。其中，日本在这方面的研究一直走在世界前列，它掌握了世界上大多数超声电机技术发明专利，已研制出多种型式的直线超声电机。美国、德国、法国、英国等都不甘落后，他们已经或正在投入大批的人力、物力开发超声电机，努力追赶日本。特别是美国，MIT、Pennysyvania州立大学著名的智能材料研究所也开始从事压电材料和超声电机的研究，还有NASA设在加州理工的JPL实验室等。在德国，有University of Paderborm，Darmstadt
5、University of Technology等都在研究超声电机。在英国，University of Cambridge的工程系也在对超声电机进行研究和开发，EMS公司已开始小批量生产。在法国，有Besancon University等大学正在开发和研究超声电机。其他，如意大利、瑞士、新加坡、中国香港、中国台湾等地的大学也都相继研究和开发超声电机H1。超声电机最早是在1973年提出来的。1982年日本学者指田年生最早提出了行波型直线超声电机，一种是直梁式，另一种是环梁式行波型。早期超声波直梁式直线电机如图2所示。图2 直线行波超声电机结构图1986年日本学者上羽贞行等做出的这种电机，采用20
6、mm兰杰文振子，无负载运行，最高速度为10m/s,最大推力为0.4N，效率为3。研究发现行波方式不适于直线超声电机，因为圆形结构才是实现行波的天然条件。由于行波型直线超声电机在实用上的种种不利因素，从1988年起，直线超声电机研究开发的主流转向了驻波型。1988年日本的富川义朗等人研制了单足式驻波型直线超声电机。实验表明，即使在很低的输入功率下/该电机也能很平稳的运动4实验测得：输入功率为0.5W 时，速度为20mm/s,推力为2N .1989年,他又提出了利用矩形板的第一阶纵向振动和第四阶弯曲振动模态的平板型直线超声电机,如图3,试验测得样机效率为20.8% 。后来他又提出了利用第一阶纵振和
7、第八阶弯振模态的平板型直线超声电机/试验测得样机无负载最大速度为70cm/s,最大推力为4N,该电机的最大特点是结构简单、扁平、速度快。图3 单足式驻波型直线超声电机1991年，文献提出了一种单型驻波直线电机，其振子由弹簧施加预应力保持与滑板接触，通过摩擦使滑板作直线运动，结构如图4所示.这种型直线超声电机，1993年被日本SUNSYU公司应用到其X-Y定位仪上。图4 平板型直线超声电机图5 单型直线超声电机结构示意图从1995年至今,日本、美国、法国、韩国相继推出了各种形式的超声电机。如2002年日本人Minoru Kuribayashi Kurosawa提出了一种低功率驱动、高效的声表面波
8、直线电机,结构如图5所示。主要由压电材料的基片(定子)、基片上的叉指换能器(InterdigitalTransducers简称IDT)以及在基片上运动的滑块三部分组成。2004年,韩国的YongraeRoh等人研制出一种结构比较简的行波直线超声电机。该电机定子由一块金属板和连接在板上的两个压电陶瓷板组成。两块压电陶瓷用存在特定相位差的电压来激励产生不同的驻波,当两种驻波相互作用时就可以转换成行波,从而驱动动子运动,改变产生驻波的相位差就可以改变其运动方向。同年,Lee Dong-Kynu等人研制出了一种基于振动梁的复合直线超声电机。图6 声表面波直线超声电机工作原理最早的直线超声电机是行波型直
9、线超声电机。1982年日本学者指田年生提出了两种行波型直线超声电机，一种是直梁式，另一种是环梁式，分别如图7(a)和2(b)所示。图7 波型直线超声电机直梁式由直线轨道与两端分别用于激振和吸振的兰杰文振子组成。利用轨道中产生单一行波来驱动移动体，其驱动机理与行波旋转型USM相同，通过交换激励振子和吸收振子的功能，可以方便地改变滑块移动方向，但是由于发射端的发射振子要激励整个传动棒，只有很小的部分是用来驱动移动块，所以其效率只有3左右，单位力密度值极小。为了提高驱动效率，德国达姆施塔特科技大学应用力学系的Hagedorn、Seemann等人，于20世纪90年代初研制出封闭式结构的行波直线超声电机
10、(图7(b)，并进行了进一步的理论与试验研究。与此同时，Mhermann、WSchinkothe等于1998年制作了利用定子环面内弯曲模态工作，用粘贴在环形梁下面直梁段处内侧的压电陶瓷激励出定子表面行波的环形行波直线超声电机。1.22 国内研究现状 我国对超声电机的关注始于80年代中后期,首先是由压电与声光杂志从介绍国外超声电机开始的。1989年清华大学率先开展对超声电机的研究。1993年清华大学博士生董蜀湘首先在其博士论文中提出了一种压电电流变直线步进电机,并进行了理论分析和实验研究。该种直线电机属于非摩擦性超声直线电机。1994年清华大学研制出步进型直线超声电机。1996年南京航空航天大学
11、研制成功了单梁式行波型直线超声电机,随后又研制了多种类型的直线超声电机,如1998年研制出大位移、大推力的驻波型直线超声电机。1997年哈尔滨工业大学研制出双边驱动的双足型驻波直线超声电机。1998年天津大学根据压电材料的逆压电效应原理,利用两块碳纤维增强塑料(CFRP)的各向异性设计出了一种复合材料的直线超声电机。这种电机基于纤维单向排列时复合弹性材料的正交各向异性特点,利用压电振子激励复合弹性材料产生倾斜振动,通过导轨表面的反作用力推动电机移动。当激励电压为50V时,最大速度为8mm/s,最大推力为0.5N。同年华中理工大学研制出一种双型压电超声波直线电机。这种直线电机克服了单型电机的缺点
12、,具有支撑简单、易于加工、运行稳定的特点。1999年南京科技大学研制出一种导轨式压电直线超声电机。2000年胡军辉等人研制出了非接触驻波型直线超声电机。当输入功率为2.5W 时,定子以1.4m/s的速度振动,滑块的速度为10cm/s,行程为17cm,驱动力为0.013mN,远小于定子和滑块之间的摩擦力0.5mN。2001年上海大学研制出了一种仿生步行小型直线超声电机,该电机通过切换驱动频率便可实现直线双向运动,结构简单,体积小,适合于微型设备的驱动。同年10月,南京航空航天大学研制出一种新型二自由度直线型超声电机,该电利用弯曲振动模态的陶瓷片的不同安放位置激发两个在空间上互相垂直的弯曲振动模态
13、,得到空间上两个椭圆曲线。当驱动振子靠重力与导轨接触时,使驱动振子获得两个自由度的直线运动,特别适用于需要二维直线驱动的场合,清华大学也在该年研制出一种变频双向直线超声波电机。2002年江苏超声电机工程研究中心研制出了种基于矩形薄板的各向异性直线超声电机,该电机是在其矩形压电陶瓷薄板上部粘贴一矩形突起物,运动推杆和突起物的顶部通过预紧压力紧密接触,突起物通过它和运动推杆之间的摩擦力来带动运动推杆作直线运动。2003年辽宁工学院对一类环行封闭式行波直线超声电机的定子进行了模态分析,来确定最佳的定子几何参数。2004年,中国科学技术大学对声表面波直线超声电机进行了研究24,天津大学对各向异性复合材
14、料直线超声电机进行了分析,陈卫山、张帆等人研制出一种新的变频驻波式直线超声电机。此外，南京航空航天大学首次提出了一种新型二自由度的直线超声电机引，利用振子的一阶纵向振动模态和二阶弯曲振动模态工作；随后又研制了多种类型的直线超声电机，如圆柱体弯曲型行波超声电机、纵扭复合型超声电机、驻波型自校正超声电机、基于矩形压电陶瓷薄板面内振动的直线型超声电机等。图7为利用矩形薄板面-内振动的直线电机。矩形压电陶瓷薄板的上部粘贴一矩形突起物，利用矩形板的一阶纵振和二阶弯曲来形成椭圆运动，运动推杆和突起物的顶部通过预压力紧密接触，突起物通过它与运动推杆之间的摩擦力来带动运动推杆作直线运动。图8 合定子型直线超声
15、电机清华大学研制了国内第一台由两个超声箝位器、一个驱动器、一根导轴组成的直线蠕动式超声电机，并成功应用于微细电火花加上装置的伺服进给控制系统；1994年，又在国内研制出了一种利用电流变效应来实现步进功能的新型压电步进直线型超声电机；随后又成功研制出应用于微动台的超声电机、直径为126 mm的纵扭复合型超声电机、双定子中空环形行波超声电机、纵弯型直线电机、直径为1 mm压电柱弯曲微型超声电机、定子直径为10 mm的摇头型弯曲超声电机等，定子直径10 mm的摇头型弯曲超声电机可替换佳能相机中的相应电机。其中，直径l mm的弯曲旋转电机样机是目前国际上直径最小的超声电机(见图9)。图9 基于矩形薄板
16、面内振动的直线超声电机图10 华大学研制的肚界上直径最小的超声电机2 超声电机关键技术目前已开发的直线超声电机存在的普遍问题是推力小、效率低、控制性差和磨损严重。这些问题严重阻碍了直线超声电机的实际应用,综观国内外研究状况,目前应在以下方面加强研究。(1)接触面间的摩擦问题由于直线超声电机是通过接触面间的摩擦作用来传递动力,因此接触面间的摩擦特性将直接影响电机的性能及工作效率,解决好这一问题将会使直线超声电机的应用产生质的飞跃。目前用于分析超声电机摩擦特性驱动特性的方法有滚子一平板模型、有限元模型、等效电路模型及冲量分析模型,但这些模型都是做了许多假设和简化得到的,同实际情况还是有一定的差距。因此,建立直线超声电机接触面间的更精确、更符合实际的模型是以后应该重点研究的方向之一。(2)激励源或激振子的精确控制问题国
