雙H叉合式定子諧振驅(qū)動的壓電平面電機(jī)研究

賀紅林，鄧傳濤，龍玉繁，胡聰睿，冷新龍

(1.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院, 江西 南昌 330063；2.江西洪都國際機(jī)電有限責(zé)任公司，江西 南昌 330063)

0 引言

壓電電機(jī)是基于逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電動力轉(zhuǎn)換的新型電動機(jī)，具有動力密度大，響應(yīng)快，運(yùn)動精密，結(jié)構(gòu)靈活及噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、精密加工、生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-3]。壓電電機(jī)有旋轉(zhuǎn)型、直線運(yùn)動型、平面運(yùn)動型、多自由度型等多種型式。目前，旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)已漸成熟，其中的部分技術(shù)和產(chǎn)品如行波超聲電機(jī)技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化并在嫦娥號航天器等高精尖場合得到了應(yīng)用。直線型電機(jī)技術(shù)的發(fā)展雖然落后于旋轉(zhuǎn)型壓電電機(jī)，但也推出了數(shù)十種的壓電直線電機(jī)，且有些電機(jī)如V型直線電機(jī)已達(dá)到產(chǎn)品化應(yīng)用水平[4]。與旋轉(zhuǎn)型和直線型電機(jī)相比，平面型壓電電機(jī)的起步時(shí)間較晚且發(fā)展速度也較緩慢，因此，壓電平面電機(jī)技術(shù)離廣泛的工程應(yīng)用還較遠(yuǎn)。但平面超聲電機(jī)仍因運(yùn)動方式靈活、應(yīng)用前景廣而受到越來越多的重視。根據(jù)平面電機(jī)的運(yùn)動特性并結(jié)合壓電驅(qū)動的精密性，平面電機(jī)將在大集成度微電子制造、光纖對接、微裝配、掃描隧道顯微鏡、能束加工、細(xì)胞編排、光學(xué)工程、遺傳工程、超精加工與檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，研究壓電平面電機(jī)就變得有意義，國內(nèi)外為此做了不少工作[5-9]，如時(shí)運(yùn)來研制出柱桿平面電機(jī)，劉潤峰[10]研制出口字型平面超聲電機(jī)；肖智勇研制出基于H臥板的平面電機(jī)；王京山等[11]提出了十字正交縱彎夾心換能器驅(qū)動平面電機(jī)。從已有研究來看，目前平面電機(jī)雖得到一定發(fā)展但其原理、結(jié)構(gòu)和型式還較缺乏，且其性能還遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用對其提出的高精、高速、高加速和大動力等多種需求，故深入探索這類電機(jī)原理和結(jié)構(gòu)成為其研究的重要內(nèi)容。針對此背景，本文提出利用雙H叉合式同型模態(tài)驅(qū)動的平面電機(jī)，該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，動力學(xué)特性較好，有望輸出較大速度與動力。

1 定子結(jié)構(gòu)及其工作模態(tài)

1.1 定子結(jié)構(gòu)選型原則

根據(jù)壓電電機(jī)設(shè)計(jì)要求并結(jié)合平面電機(jī)二/三自由度運(yùn)動的需求，不難梳理出壓電平面電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則：

1) 定子宜采用中心對稱結(jié)構(gòu)。這是因?yàn)槿绻ㄗ咏Y(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，則很難從結(jié)構(gòu)稟賦的模態(tài)中找到所需工作振型，同時(shí)也不利于工作模態(tài)的激發(fā)。

2) 定子的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋺?yīng)使其各工作模態(tài)的頻率天然地較接近，因此，定子設(shè)計(jì)時(shí)只需適度地調(diào)整其構(gòu)型與尺度，便可在不引起工作模態(tài)畸變的前提下，實(shí)現(xiàn)工作模態(tài)頻率的一致性。

3) 定子結(jié)構(gòu)方案的確定應(yīng)有利于工作模態(tài)的高效激發(fā)，且應(yīng)能保證當(dāng)對工作模態(tài)進(jìn)行正常激勵(lì)時(shí)，定子的驅(qū)動足能復(fù)合出微米級幅度的橢圓軌跡。

4) 定子結(jié)構(gòu)拓?fù)鋺?yīng)保證其驅(qū)動足能推動動子做兩相以上自由度驅(qū)動，且應(yīng)避免各驅(qū)動足在推動動子時(shí)出現(xiàn)相互阻滯現(xiàn)象。

5) 定子結(jié)構(gòu)拓?fù)浼捌涔ぷ髂B(tài)的選擇應(yīng)便于定子的夾持固定，且應(yīng)保證定子固定后不會導(dǎo)致工作模態(tài)振型產(chǎn)生畸變及模態(tài)頻率出現(xiàn)大幅漂移。

1.2 定子的結(jié)構(gòu)拓?fù)?/h3>

根據(jù)上述原則并基于TRIZ理論，提出一種適于平面運(yùn)動驅(qū)動的雙H叉合式(見圖1)，該定子由上、下、左、右4根外圍桿及一個(gè)十字板架組成，圖中，為增強(qiáng)各桿的柔性以利增大其彎曲工作振幅，在各桿的截面中心處均制出通孔，并且通過微調(diào)這些孔的尺寸，還可調(diào)整定子工作模態(tài)頻率，從而有利于實(shí)現(xiàn)工作模態(tài)頻率的一致性。為使各桿產(chǎn)生純正的面內(nèi)、外工作彎振，在各桿與十字板架連接處開設(shè)了小槽口及在各桿中部位置開設(shè)小孔。小槽口的開設(shè)可緩解定子結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，從而有利于提高其疲勞壽命。

圖1 雙H叉合式定子的示意圖

1.3 工作模態(tài)假設(shè)

基于雙H叉合式的軸對稱幾何特征，并考慮到結(jié)構(gòu)作工作模態(tài)振動時(shí)必須滿足動量守恒定律的原則，可推測雙H叉合式彈性結(jié)構(gòu)稟賦的左(右)桿面內(nèi)彎振、上(下)桿面內(nèi)彎振及面外對稱彎振等模態(tài)(見圖2)，這3種模態(tài)的振型較清晰簡單，均具有利用壓電陶瓷進(jìn)行激發(fā)的可能性。如果定子確實(shí)存在這些模態(tài)，則有望利用它們推進(jìn)動子做平面運(yùn)動。

圖2 雙H叉合式定子的假設(shè)模態(tài)

1.4 工作模態(tài)確認(rèn)

為驗(yàn)證雙H叉合結(jié)構(gòu)是否存在上述模態(tài)，本文根據(jù)壓電電機(jī)設(shè)計(jì)理論初擬了定子結(jié)構(gòu)尺寸，并基于ANSYS軟件建立了定子動力學(xué)特性分析有限元模型，再借助該軟件的模態(tài)求解功能，且采用蘭索斯(lancoz)法提取到雙H叉合式定子振動模態(tài)如圖3所示。將圖2和圖3進(jìn)行對比可知，兩者的振型很相近，這說明雙H叉合結(jié)構(gòu)確實(shí)存在預(yù)設(shè)工作模態(tài)。仔細(xì)觀察求得的模態(tài)時(shí)，還發(fā)現(xiàn)這三相模態(tài)的振型均較純正，且它們的階次、頻率、振幅等均較接近，具有實(shí)現(xiàn)頻率一致的可能性。故本文確定將這些模態(tài)當(dāng)作電機(jī)工作模態(tài)。

圖3 雙H叉合結(jié)構(gòu)的計(jì)算工作模態(tài)

2 壓電極化配置與驅(qū)動足設(shè)置

定子的模態(tài)諧振是建立在壓電陶瓷片合理配置的基礎(chǔ)上，唯有對陶瓷片進(jìn)行正確的極化并通入適當(dāng)?shù)尿?qū)動電壓，工作模態(tài)才能有效激發(fā)。壓電陶瓷布片、極化及供電對于有效地激發(fā)模態(tài)振動、簡化電路的設(shè)計(jì)、提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率意義重大。壓電配置主要包括兩個(gè)方面，即

1) 陶瓷片極化與供電模式設(shè)計(jì)決定了模態(tài)的可激發(fā)性。

2) 陶瓷片位置確定決定了模態(tài)振動的效能。陶瓷片布片數(shù)量及壓電極化供電方案主要根據(jù)工作模態(tài)振型進(jìn)行確定，而陶瓷布片及驅(qū)動足布設(shè)位置則取決于定子的模態(tài)應(yīng)變與模態(tài)位移分布。大量的研究表明，在滿足貼片工藝的條件下，應(yīng)盡量將陶瓷片布置在工作模態(tài)最大應(yīng)變處；同時(shí)，為了在驅(qū)動足上獲得盡可能大的工作振幅，應(yīng)將驅(qū)動足盡可能布置在工作模態(tài)振型的最大模態(tài)位移處。

可見，為優(yōu)化陶瓷片及驅(qū)動足的位置，須先確定外圍桿的模態(tài)應(yīng)變與模態(tài)位移分布?？紤]到4根外圍桿的工作振動完全相同，故取左桿為對象并利用ANSYS求得模態(tài)位移與模態(tài)應(yīng)變沿桿長的分布如圖4所示。由圖可知，該桿的最大模態(tài)應(yīng)變處于桿中部，故理論上應(yīng)將陶瓷片粘貼于該處，但考慮到在該處貼陶瓷片會明顯增大桿的彎曲剛度且在該處只能粘貼單片面內(nèi)彎振激勵(lì)陶瓷片，從而不利于提高面內(nèi)彎振激勵(lì)，故本文將陶瓷片貼在靠近中部的兩側(cè)位置。圖4還表明，最大模態(tài)位移出現(xiàn)在桿的兩端，為此將驅(qū)動足配置在桿的端部以便得到盡可能大的驅(qū)動足振幅。為保證定子工作時(shí)驅(qū)動足能與動子接觸并避免陶瓷片接觸到動子，設(shè)計(jì)驅(qū)動足時(shí)還令其高度遠(yuǎn)大于壓電陶瓷片厚度，圖5(a)為陶瓷片及驅(qū)動足配置，圖中為定子配置了32片陶瓷和8個(gè)驅(qū)動足。

圖4 雙H叉合式定子的模態(tài)位移與應(yīng)變分布

圖5 壓電陶瓷及其供電配置方案

本文令各陶瓷片均沿指向定子基體的方向進(jìn)行極化。圖5(b)為壓電陶瓷片的供電方案?？紤]到各桿外側(cè)和下表面處陶瓷片的供電分別與內(nèi)側(cè)及上表面處陶瓷片的供電完全相同，故在圖中只給出了桿的內(nèi)側(cè)及上表面處陶瓷片的供電。值得一提的是，為避免通電后出現(xiàn)電學(xué)短路，供電設(shè)計(jì)中還令各陶瓷片與定子接觸的電極均進(jìn)行接地。

3 電機(jī)諧振驅(qū)動機(jī)理

本文的電機(jī)利用雙H叉合式定子面外彎振模態(tài)振動與左(右)桿面內(nèi)彎振模態(tài)的諧振耦合，在左(右)桿的驅(qū)動足上復(fù)合出沿xz面行進(jìn)的橢圓軌跡，并據(jù)此推進(jìn)動子的x向滑移；通過面外彎振模態(tài)與上(下)桿面內(nèi)模態(tài)諧振耦合，在上(下)桿的驅(qū)動足上復(fù)合出沿yz面行進(jìn)的橢圓以推動動子的y向運(yùn)動。驅(qū)動足的x、y向振動用以實(shí)現(xiàn)動子前移，z向振動實(shí)現(xiàn)驅(qū)動足與動子的瞬態(tài)接觸與分離。圖6為定子在一個(gè)振動周期T內(nèi)推送動子的狀態(tài)?？紤]到左、右桿的推送及上、下桿推送情況相同，故以右桿與上桿為例說明電機(jī)的驅(qū)動機(jī)理，即

1) 0～T/4時(shí)段。沿xz面，右桿由最大上彎態(tài)彎回到面外零彎曲變形量狀態(tài)，使其驅(qū)動足保持與動子接觸；而在沿yz面內(nèi)，右桿由面內(nèi)零彎曲量狀態(tài)彎成最大右彎態(tài)，使右桿上的驅(qū)動足A、B分別由A1、B1行至A2、B2并推動動子沿x向前移一步。與此同時(shí)，沿xz面，上桿由最大前彎態(tài)恢復(fù)到面外零彎曲量狀態(tài)，使上桿驅(qū)動足與動子分離；沿yz面，上桿由面內(nèi)零彎曲變形量狀態(tài)彎成最大上彎狀態(tài)，使其驅(qū)動足E、F分別由E1、F1行至E2、F2。

2)T/4～T/2時(shí)段。沿xz面，右桿由面外零彎態(tài)彎成最大后彎態(tài)，使其驅(qū)動足與動子分離；而yz面，右桿由最大右彎態(tài)回復(fù)到面內(nèi)零彎態(tài)，并使其兩驅(qū)動足分別由A2、B2到達(dá)A3、B3。與此同時(shí)，在xz面，上桿由面外零彎態(tài)向前彎曲至最大前彎態(tài)，使上桿的驅(qū)動足與動子接觸；在yz面，上桿由面內(nèi)最大上彎態(tài)向下彎曲成面內(nèi)零彎態(tài)，使上桿上的兩驅(qū)動足行至E3、F3并推動動子沿y向行進(jìn)一步。

3) 在T/2～3T/4時(shí)段。沿xz面，右桿由最大后彎態(tài)彎回到面外零彎態(tài)，使其驅(qū)動足與動子仍不接觸；沿yz面，右桿由面內(nèi)零彎態(tài)彎成最大左彎態(tài)，使其上的兩個(gè)驅(qū)動足分別由A3、B3到達(dá)A4、B4。與此同時(shí)，在xz面，上桿則由最大上彎態(tài)回復(fù)到面外零彎態(tài)，使上桿的驅(qū)動足仍保持與動子接觸；沿yz面，上桿由面內(nèi)零彎向下彎曲成最大下彎態(tài)，驅(qū)使上桿的驅(qū)動足由E3、F3行至E4、F4并推動動子沿y向再移一步。

4) 在3T/4～T時(shí)段。沿xz面，右桿由面外零彎態(tài)向上彎成最大前彎態(tài)，使其兩驅(qū)動足與動子接觸；沿yz面內(nèi)，右桿由面內(nèi)最大左彎態(tài)回復(fù)到面內(nèi)零彎態(tài)，使其驅(qū)動足分別由A4、B4到達(dá)A1、B1，并推動動子沿x向再移進(jìn)一步。與此同時(shí)，在xz面，上桿由面外零彎態(tài)向后彎成最大后彎態(tài)，使上桿的驅(qū)動足與動子分離；沿yz面，上桿由最大下彎態(tài)彎回到面內(nèi)零彎態(tài)，使上桿驅(qū)動足由E4、F4行至E1、F1。

圖6 雙H叉合式定子推送動子的過程

定子每完成一個(gè)振動周期，驅(qū)動足分別沿x、y向推送動子移進(jìn)2個(gè)步距，當(dāng)定子不斷重復(fù)上述振動循環(huán)時(shí)就將推動動子不斷行進(jìn)。若逆轉(zhuǎn)面內(nèi)與面外彎振模態(tài)振動之間超前滯后相位關(guān)系，則動子將做反向運(yùn)動。由上述分析可知，左、右桿上的4個(gè)驅(qū)動足以及上、下桿上的4個(gè)驅(qū)動足交替地推動兩自由度方向的運(yùn)動， 這種多足驅(qū)動的方式將提升電機(jī)的輸出動力與速度，有利于提高電機(jī)的工作效率與穩(wěn)定性。

4 模態(tài)頻率一致性分析

雙H叉合式定子驅(qū)動的平面電機(jī)作為駐波類電機(jī)，其設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面就是須保證各工作模態(tài)頻率的一致性以實(shí)現(xiàn)模態(tài)簡并，而這取決于定子結(jié)構(gòu)尺寸的合理確定。為規(guī)劃出定子的優(yōu)化尺寸，有必要研究定子的特征尺寸與電機(jī)工作模態(tài)頻率間關(guān)系。為此，借助ANSYS的APDL語言，建立了雙H叉合式定子的參數(shù)化分析有限元模型，并且利用該模型求得若干主要尺寸對工作模態(tài)頻率的影響特性，如圖7所示。由圖可知，當(dāng)L1增大時(shí)則面內(nèi)、外模態(tài)頻率均一致性地下降，這表明可優(yōu)先通過調(diào)節(jié)L1來調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動頻率；當(dāng)改變L2時(shí)，則面外彎振頻率變化較小但面內(nèi)彎振頻率卻變化較大，即調(diào)整該尺寸可較易實(shí)現(xiàn)面內(nèi)、面外模態(tài)的一致性。L3對頻率的影響與L1基本相同。當(dāng)增大L4時(shí)則面內(nèi)彎振頻率增大，面外模態(tài)頻率則在一定范圍內(nèi)基本保證不變，但當(dāng)增至一定值后，面內(nèi)模態(tài)頻率卻增大。L5對面內(nèi)模態(tài)頻率影響相對較小，但對面外模態(tài)頻率影響較大，并且增大L5則面外模態(tài)頻率增加。通過對各尺寸進(jìn)行頻率靈敏度特性分析并結(jié)合三相工作模態(tài)頻率一致性要求，最終確定出定子結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖7 定子尺寸對工作模態(tài)頻率的影響

表1 雙H型定子結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸

L1/mmL2/mmL3/mmL4/mmL5/mmL6/mm30.08.736.06.07.41.9

5 定子動力學(xué)特性

5.1 定子諧響應(yīng)特性

平面壓電電機(jī)通過激發(fā)多相工作模態(tài)的諧振實(shí)現(xiàn)其運(yùn)轉(zhuǎn)，這就要求參與諧振的各相模態(tài)振動具有較接近的工作振幅，此外，電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還應(yīng)保證其工作模態(tài)附近不應(yīng)存在高值干擾模態(tài)，否則在對電機(jī)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，易激發(fā)出強(qiáng)烈的干擾模態(tài)振動，從而使電機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為便于分析雙H叉合式定子的干擾模態(tài)特性，有必要求取定子幅率特性，為此針對表1中的尺寸，利用ANSYS建立定子的機(jī)電耦合分析模型，通過在各壓電陶瓷片上施加峰-峰值為250 V的電壓激勵(lì)信號并設(shè)定32～34 kHz為諧響應(yīng)求解頻段，再啟動ANSYS的諧響應(yīng)功能塊，解算出定子的幅頻特性如圖8所示。由圖可知，當(dāng)對各工作模態(tài)采用等幅簡諧電壓進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，上桿、右桿上的驅(qū)動足沿面內(nèi)和面外振動的振幅不僅處在同一數(shù)量級，且幅度相差不大。另外右桿與上桿振幅也較相近。由圖還可知，三相工作模態(tài)頻率較接近，并且將32 286 Hz作為電機(jī)驅(qū)動頻率點(diǎn)時(shí)，在32～34 kHz的較寬頻段內(nèi)并未出現(xiàn)沿x、y向干擾模態(tài)。這就表明，當(dāng)電機(jī)的驅(qū)動信號頻率與工作模態(tài)較接近時(shí)，各工作模態(tài)均將被有效激勵(lì)，驅(qū)動足將處于預(yù)期的共振或近共振狀態(tài)從而推動動子作平面運(yùn)動。

圖8 驅(qū)動足的幅頻特性曲線

5.2 驅(qū)動足的振動響應(yīng)

平面壓電電機(jī)的運(yùn)動是建立在驅(qū)動足產(chǎn)生橢圓運(yùn)行軌跡的基礎(chǔ)上，并且為使電機(jī)能夠切實(shí)有效地運(yùn)行，要求兩相橢圓軌跡的長、短軸至少應(yīng)達(dá)微米量級，這是因?yàn)橹挥挟?dāng)橢圓幅度足夠大時(shí)，定子才能推動動子實(shí)現(xiàn)有效步進(jìn)，并且定子與動子才能實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的瞬態(tài)接觸與分離。

為驗(yàn)證驅(qū)動足的橢圓軌跡，現(xiàn)按圖2(b)的供電方式對雙H叉合式定子機(jī)電耦合分析有限元模型中左、右桿的面內(nèi)、外工作模態(tài)進(jìn)行諧振激勵(lì)，當(dāng)對各陶瓷片施加32 286 Hz、250 V的驅(qū)動電壓后，啟動ANSYS瞬態(tài)響應(yīng)求解器求得驅(qū)動足的位移響應(yīng)如圖9所示。由圖可知，在經(jīng)過不到1 ms短暫時(shí)間后，驅(qū)動足振動將逐漸趨于穩(wěn)定且其沿x、z向的穩(wěn)態(tài)振幅分別達(dá)到1.5 μm和1.3 μm，足以達(dá)到推動動子的要求。當(dāng)對所有陶瓷片均通入幅值250 V驅(qū)動信號而對定子的三相工作模態(tài)同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，還求得驅(qū)動足的運(yùn)動軌跡如圖10所示，由圖可知，左(右)桿和上(下)桿的驅(qū)動足分別沿xz和yz面做規(guī)范的橢圓軌跡運(yùn)動，且兩橢圓的長、短軸長度較接近，這進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)的工作原理，并且表明雙H叉合式定子驅(qū)動的平面電機(jī)將具較佳的運(yùn)動特性。

圖9 定子驅(qū)動足的振動響應(yīng)曲線

圖10 雙H耦合定子的驅(qū)動足運(yùn)行軌跡

6 驅(qū)動足振動調(diào)節(jié)特性

壓電電機(jī)作為一種新型伺服驅(qū)動部件，理應(yīng)具有良好的運(yùn)動調(diào)節(jié)特性，這一點(diǎn)落實(shí)到定子特性上就是要求驅(qū)動足須具有良好的振動調(diào)節(jié)特性。由于雙H定子采用簡諧電壓進(jìn)行激勵(lì)，故驅(qū)動足的運(yùn)動調(diào)節(jié)特性需通過改變激勵(lì)電壓幅值或需通過改變激勵(lì)信號頻率或需通過調(diào)節(jié)激勵(lì)相位差來實(shí)現(xiàn)。在保證激勵(lì)信號頻率不改變的條件下，本文在定子機(jī)電耦合有限元模型上通過施加不同幅值的激勵(lì)電壓，求得驅(qū)動足的調(diào)壓振動特性如圖11(a)所示。由圖11(a)可知，驅(qū)動足的振幅與驅(qū)動電壓幅值存在一定線性關(guān)系，并且增大驅(qū)動電壓則驅(qū)動足的振幅也增大。同樣，在保證驅(qū)動電壓幅值不變的條件下，對定子模型施加不同頻率的激勵(lì)信號，得到了驅(qū)動足的調(diào)頻振動特性如圖11(b)所示，由圖11(b)可知，驅(qū)動頻率與振幅間呈現(xiàn)較嚴(yán)重的非線性關(guān)系，且當(dāng)驅(qū)動頻率小于工作模態(tài)頻率時(shí)，在一定范圍內(nèi)增大驅(qū)動頻率時(shí)則驅(qū)動足振幅增大，但當(dāng)驅(qū)動頻率大于模態(tài)頻率時(shí)，驅(qū)動足振幅將隨驅(qū)動頻率的增加而下降。此外，在保證驅(qū)動電壓和頻率不變的前提下，對定子面內(nèi)、外模態(tài)施以不同相位差的信號同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)，得到了驅(qū)動足的調(diào)相振動特性如圖11(c)所示。由圖11(c)可知，當(dāng)面內(nèi)、外振動模態(tài)激勵(lì)信號的相位差等于90°時(shí)，驅(qū)動足沿純正的橢圓軌跡運(yùn)行，此時(shí)電機(jī)性能最穩(wěn)定，當(dāng)相位差為45°時(shí)，驅(qū)動足軌跡為斜橢圓，從而會造成電機(jī)運(yùn)行性能不佳，當(dāng)相位差為0°時(shí)，驅(qū)動足軌跡退化為斜直線，使定子和動子始終保持接觸，從而使定子將無法推動動子前行。

圖11 雙H耦合定子的驅(qū)動足振動調(diào)節(jié)特性

7 電機(jī)的裝配結(jié)構(gòu)

裝配設(shè)計(jì)是構(gòu)成電機(jī)研制的重要方面，裝配方案的好壞直接影響電機(jī)性能發(fā)揮甚至還關(guān)系到電機(jī)能否正常運(yùn)動。電機(jī)裝配設(shè)計(jì)首先須解決定子的夾持與固定問題。為使定子能按預(yù)設(shè)原理運(yùn)行，須保證定子的固定不會對其工作模態(tài)振型及頻率產(chǎn)生過大影響，為此，在確定定子裝配方案時(shí)應(yīng)盡量選定工作模態(tài)的節(jié)點(diǎn)為定子夾持和固定點(diǎn)。當(dāng)然，為限定定子基體的運(yùn)動自由度，可在定子的單個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)位置對其固定，但因雙H叉合結(jié)構(gòu)的幾何中心點(diǎn)僅為面外工作模態(tài)的節(jié)點(diǎn)而非面內(nèi)工作模態(tài)的節(jié)點(diǎn)，特別是當(dāng)定子作面內(nèi)工作模態(tài)振動時(shí)，定子須沿x或y向產(chǎn)生微量滑移，因此，為保證面內(nèi)工作模態(tài)的純正性，不宜在定子中心處將其固死。為限制定子x、y向移動自由度并補(bǔ)償定子的整體性微量滑移，本文在定子中心處裝配了一個(gè)緊固螺釘并在螺釘外套入一個(gè)橡膠套管，旨在利用橡膠套的彈性可補(bǔ)償定子的整體微量滑移；為限定定子z向運(yùn)動并保證不影響定子體沿x或y向的微量滑移，在定子十字板處裝兩個(gè)柔性 “U”形壓扣件，并利用其輕壓定子。為減少機(jī)座對動子的摩擦，在動子與電機(jī)蓋板間裝入滾珠，從而使?jié)L珠間構(gòu)成滾動副，同時(shí)，為防止?jié)L珠掉落，在蓋板下方設(shè)置一個(gè)托珠板用以托住滾珠，圖12為電機(jī)的裝配模型。

8 結(jié)論

1) 提出了雙H叉合結(jié)構(gòu)驅(qū)動的平面超聲電機(jī)原理及其定子壓電超聲換能動力學(xué)結(jié)構(gòu)，選定雙H叉合式定子的面外對稱彎振、左(右)桿面內(nèi)彎振、上(下)桿面內(nèi)彎振作為電機(jī)工作模態(tài)。通過面外彎振分別與兩相面內(nèi)彎振模態(tài)的諧振耦合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的兩自由度平面運(yùn)動。

2) 建立了雙H叉合式定子的機(jī)電耦合分析有限元模型，對定子進(jìn)行了模態(tài)計(jì)算和分析，表明定子三相預(yù)設(shè)工作模態(tài)的存在性，通過對電機(jī)進(jìn)行頻率一致性計(jì)算，求得定子的基本結(jié)構(gòu)尺寸為30 mm×8.7 mm×7.4 mm。

3) 通過對定子進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，模擬出左(右)桿、上(下)桿驅(qū)動足的橢圓軌跡，并且結(jié)合電機(jī)的諧響應(yīng)特性分析，驗(yàn)證了電機(jī)驅(qū)動原理的有效性。

4) 通過對定子進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算，得到了定子驅(qū)動足的調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)相振動特性。

5) 擬定出雙H叉合結(jié)構(gòu)的一種合理的夾持固定方案，并設(shè)計(jì)出平面電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)，建立了電機(jī)的三維裝配模型。基于所擬夾持固定方案對定子進(jìn)行固定時(shí)，能最大限度地減小定子固定給工作模態(tài)帶來的影響。