基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)研究.pdf

1、壓電馬達(dá)是當(dāng)前新型驅(qū)動(dòng)器的研究熱點(diǎn)，它在工業(yè)控制系統(tǒng)，汽車專用電器，辦公自動(dòng)化設(shè)備以及智能機(jī)器人等領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。然而現(xiàn)有的壓電馬達(dá)主要依靠壓電定子振動(dòng)，通過(guò)摩擦傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng)，一般運(yùn)動(dòng)速度較低，還存在磨損嚴(yán)重，輸出功率小，效率低等一系列問題。為了從根本上解決這些問題，探索新型原理的壓電馬達(dá)，徹底擺脫其對(duì)摩擦力的依賴，論文首次提出一種新型原理的壓電馬達(dá):基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)，并完成了對(duì)其從理論設(shè)計(jì)、制

2、造裝配到實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用探討的一系列工作。論文主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　首次提出了基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)。針對(duì)現(xiàn)有的壓電馬達(dá)存在的問題，為了使得壓電馬達(dá)在速度、功率和效率等方面都有所提高，從發(fā)明不依賴于摩擦力驅(qū)動(dòng)的新型原理壓電馬達(dá)的角度思考，提出一種新型基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)。該壓電馬達(dá)使用軸承實(shí)現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子之間的幾何連接，利用壓電疊堆的強(qiáng)迫振動(dòng)的方式將壓電振動(dòng)能量饋入轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)新型非摩擦力的驅(qū)動(dòng)機(jī)理。為了使得壓電疊堆的

3、功率有效饋入偏心輪轉(zhuǎn)子中，在設(shè)計(jì)中對(duì)偏心輪的不平衡量與壓電換能器輸出特性進(jìn)行了合理的匹配，在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)電壓相位進(jìn)行了優(yōu)化。該新型壓電馬達(dá)的提出為壓電馬達(dá)特別是高速壓電馬達(dá)的研究和發(fā)展提供了新的思路。
　　建立了基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)力學(xué)模型。根據(jù)運(yùn)動(dòng)的微分方程，分析計(jì)算轉(zhuǎn)子質(zhì)心和形心軌跡以及偏心輪轉(zhuǎn)子在受迫振動(dòng)中饋入的能量。根據(jù)饋入能量大小的求導(dǎo)運(yùn)算，獲得了壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電壓理論最佳初始相位ψ0=π/2，在該最佳

4、初始相位的電壓驅(qū)動(dòng)下，對(duì)軸承進(jìn)行了受力分析，給出了該新型壓電馬達(dá)的微觀工作機(jī)理，為該壓電馬達(dá)的實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。
　　設(shè)計(jì)和制作了所提出的基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)裝置。探索了壓電疊堆制作工藝，壓電疊堆由26層厚度為0.7mm的壓電陶瓷片堆積而成，通過(guò)打磨，割縫，引線，極化以及表面絕緣處理等八個(gè)步驟的處理，獲得了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的壓電疊堆。利用ANSYS有限元分析軟件設(shè)計(jì)了與之匹配的位移放大機(jī)構(gòu)，其位移放大比為4.62倍，靜態(tài)下輸出位

5、移可達(dá)160μm。根據(jù)預(yù)期壽命，選擇了6001氮化硅軸承作為實(shí)驗(yàn)軸承，將壓電疊堆、位移放大機(jī)構(gòu)以及軸承通過(guò)帶有直角鉸鏈的軸承座進(jìn)行連接和裝配形成了馬達(dá)的定子。首次利用偏心輪作為壓電馬達(dá)的轉(zhuǎn)子，并根據(jù)定子輸出特性匹配設(shè)計(jì)了偏心輪轉(zhuǎn)子的不平衡量。根據(jù)偏心輪轉(zhuǎn)子工作狀況對(duì)其進(jìn)行了強(qiáng)度校核，提高了設(shè)計(jì)的可靠性。理論分析了六種不同偏心輪轉(zhuǎn)子的工作速度范圍，為實(shí)驗(yàn)研究提供了理論數(shù)據(jù)。最后選擇和設(shè)計(jì)了馬達(dá)的輔助裝置，包括內(nèi)耗較低的直流電磁電機(jī)及其支架

6、，L形底座，霍爾傳感器及其支架。通過(guò)對(duì)定子，轉(zhuǎn)子及輔助裝置進(jìn)行合理裝配形成了一整套壓電馬達(dá)的機(jī)電系統(tǒng)。
　　實(shí)驗(yàn)研究了所制作的基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)輸出性能。首先給出了馬達(dá)的實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)方案，獲得了驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)驗(yàn)最佳初始相位為ψ0=π/2，與理論分析結(jié)果一致。然后以偏心不平衡量較大的6＃偏心輪為轉(zhuǎn)子，對(duì)馬達(dá)的輸出特性進(jìn)行了測(cè)試研究，獲得了馬達(dá)的空載輸出速度特性，在壓電疊堆的工作頻率僅為152Hz下，馬達(dá)的輸出速度高達(dá)9120rpm

7、，是目前存在的高速壓電馬達(dá)之一。同時(shí)，測(cè)試了該頻率下壓電馬達(dá)的輸出功率為8.45W，平均效率為25.3％，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該新型壓電馬達(dá)綜合性能得到了提高。最后，測(cè)試了另外五種偏心輪轉(zhuǎn)子的工作頻率范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著偏心輪轉(zhuǎn)子不平衡量（m·r）的降低，馬達(dá)的啟動(dòng)頻率和截止頻率都逐漸增加，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算一致。對(duì)于偏心輪最小的1＃偏心輪而言，實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得速度高達(dá)15000rpm，這是目前文獻(xiàn)可見的壓電馬達(dá)最高速度。該壓電馬達(dá)原理新穎，結(jié)