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傳統(tǒng)的直線電磁電機(jī)在機(jī)床進(jìn)給、機(jī)器人和汽車車窗的升降系統(tǒng)等應(yīng)用中，存在氣隙較大，傳動(dòng)剛度小，使用稀土永磁體成本較高，電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)沒有保持位置的功能，體積大，產(chǎn)生的磁場對周圍環(huán)境有電磁干擾，且有電磁噪聲等缺點(diǎn)。縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)反應(yīng)快速靈敏、推力大、行程大、高效，能夠避免上述傳統(tǒng)直線電磁電機(jī)的缺點(diǎn)，但目前國內(nèi)對該類電機(jī)研究甚少。在縱彎式駐波壓電微電機(jī)等方面開展了研究，并成功研制了一臺5mm的壓電微電機(jī)。譚軍安等利用波動(dòng)方程推出了縱振動(dòng)和彎振動(dòng)的頻率方程，從而研制出了夾心式縱彎復(fù)合振動(dòng)模式的超聲換能器。但由于這些電機(jī)的機(jī)理較復(fù)雜，研究的歷史還很短，許多問題還有待進(jìn)一步研究。
本研究主要利用有限元分析方法對夾心式縱彎復(fù)合振動(dòng)模式的超聲電機(jī)定子進(jìn)行仿真數(shù)值計(jì)算與參數(shù)分析，討論和歸納了參數(shù)改變對電機(jī)定子諧振頻率和振型的影響以及實(shí)現(xiàn)縱向、彎曲振動(dòng)模態(tài)簡并的一般規(guī)律，并通過樣機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，對有限元分析結(jié)果與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了比較。
縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。該電機(jī)由定子和直線滑軌兩部分組成，其關(guān)鍵部件定子(驅(qū)動(dòng)振子)是采用螺栓緊固夾心結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合振子。縱振壓電陶瓷為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，不分區(qū)沿軸向極化，彎振壓電陶瓷亦為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，分為兩個(gè)區(qū)沿軸向反向極化。經(jīng)過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源將一定相位差超聲頻率的交流激勵(lì)信號施予該復(fù)合振子內(nèi)部的縱振壓電陶瓷(縱振子)和彎振壓電陶瓷片(彎振子)時(shí)，在壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)作用下，定子將同時(shí)被激發(fā)出縱向和彎曲兩種振動(dòng)，在復(fù)合振子的兩端部合成為橢圓運(yùn)動(dòng)并經(jīng)撥齒放大，當(dāng)在定子與直線導(dǎo)軌之間施加一定的預(yù)緊力時(shí)，定子和直線滑軌之間的摩擦力就能帶動(dòng)直線滑軌做直線運(yùn)動(dòng)。
電機(jī)定子對直線滑軌的驅(qū)動(dòng)過程實(shí)際上是復(fù)合振子兩種振動(dòng)模態(tài)簡并后所形成的復(fù)合振動(dòng)模態(tài)周期性變化的過程。定子縱向振動(dòng)達(dá)到振幅位置，彎曲振動(dòng)恢復(fù)到平衡位置，此時(shí)，定子兩端凸齒表面質(zhì)點(diǎn)脫離滑軌，彎曲振速達(dá)到最大，縱向振速為零，定子縱向振動(dòng)恢復(fù)到平衡位置，彎曲振動(dòng)達(dá)到振幅位置，此時(shí)，定子右端凸齒接觸滑軌，表面質(zhì)點(diǎn)縱向振動(dòng)，振速達(dá)到最大，指向拉伸方向，彎曲振速變?yōu)榱悖ㄗ釉俅慰v向振動(dòng)達(dá)到振幅位置，彎曲恢復(fù)到平衡位置，此時(shí)，定子兩端凸齒表面質(zhì)點(diǎn)脫離滑軌，彎曲振速達(dá)到最大，縱向振速為零，定子再次縱向振動(dòng)恢復(fù)到平衡位置，彎曲振動(dòng)達(dá)到振幅位置，此時(shí)，定子左端凸齒接觸滑軌，表面質(zhì)點(diǎn)縱向振速達(dá)到最大，指向壓縮方向，彎曲振速變?yōu)榱恪?/span>
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