（机械电子工程专业论文）防爆型直线超声电机的研究.pdf

摘要 摘要 本课题来源于国家自然科学基金项目：防爆型压电电机的基础研究( 编号： 5 0 8 0 7 0 4 8 ) 。 超声电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，u s m ) 是利用压电材料的逆压电效应激发定子 在超声频段内微幅振动而工作的，也可称为压电电机。直线型超声电机是超声电 机一个重要的分支，它不但具有超声电机的共有特点，而且还具有直接输出直线 运动和力矩、结构简单、设计灵活、容易实现小型化等优点，因此已经在精密仪 器、航天、医疗、微型机器人、汽车等领域成功应用。但是直线超声电机还存在 一些亟需解决的问题，目前还没有把超声电机应用到有爆炸危险环境当中的研 究。 因此在以提高直线超声电机的输出性能和效率为目标的基础上，为了实现直 线电机能够在爆炸危险环境当中工作的目的，本文研究了一种防爆型直线超声电 机，研究的主要内容和成果概括如下： 1 分析了防爆直线超声电机的应用背景和发展前景，论述了防爆直线超声 电机亟待研究的问题和重要意义。 2 分析了基于矩形截面梁振子的电机运动机理，并结合电机工作模态的激 励过程，证明了驱动足椭圆运动的形成，指出在设计直线电机中遵循的 一些要求。 3 利用a n s y s 软件重点研究了定子的主要结构尺寸对其两相工作模态频 率的影响，并确定了定子的结构尺寸，又设计出了压电陶瓷的激励方式 和粘贴布局，分别设计出了直线电机和驱动电源的防爆壳体，并设计出 了防爆型直线超声电机的装配图。 4 分析了影响电机两相工作模态频率不一致的因素，采用摄动理论和有限 元软件计算分析后，解决了两相模态频率一致性调节的问题，对定子进 行了谐响应分析，找到了定子的最佳工作模态频率，通过瞬态分析得出 了定子达到稳定工作的时间只有1 6 m s ，又提取了驱动足上质点的良好 椭圆运动轨迹。 5 研制出了三台直线超声电机定子样机对其进行了扫频实验，并采用模态 频率调节一致性的方法进行调试，使得定子两相模态频率差值为7 0 h z ， 达到工程使用要求，最终测试出电机的最大无负载速度为4 6 m m s ，制 摘要 造出驱动电源防爆箱体并作了相关防爆性能的试验，取得了防爆合格证 书。 关键字：防爆电机、直线超声电机、压电陶瓷、有限元分析、模态频率、结构优 化 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp r o j e c ti sd e r i v e df r o mn a t u r a l s c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n an a m eo f f u n d a m e n t a lr e s e a r c ho fe x p l o s i o n - p r o o fp i e z o e l e c t r i cm o t o r ( n o 5 0 8 0 7 0 4 8 ) u l t r a s o n i cm o t o r s m ) ，w h i c hc a r la l s ob ec a l l e dp i e z o e l e c t r i cm o t o r , u t i l i z e s t h ev i b r a t i o no ft h ee l a s t i cb o d y ( s t a t o oi nt h eu l t r a s o n i cf r e q u e n c yb a n da n dt h e c o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to fp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l s al i n e a ru l t r a s o n i cm o t o r ( l u s m ) i sa ni m p o r t a n tt y p eo fu s m b e s i d e st h ec o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so fr o t a r y u s m ，l u s ma l s op o s s e s s e st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e s ：t h ec a p a b i l i t yo fd i r e c ta n d s t r a i g h td r i v e ，as i m p l es t r u c t u r e ，af l e x i b l ed e s i g n ，a l l o w i n ge a s ym i n i a t u r i z m i o n i t h a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha sp r e c i s i o ni n s t r u m e n t s ，a s t r o n a u t i c s ， m e d i c a lf i e l d ，a u t o m o b i l ea n dm i c r o r o b o t b u tt h e r ea r es o m ep r o b l e m sa b o u tl u s m ， a n dn or e s e a r c ho fl u s m b e i n gu s e di nt h ee x p l o s i v ea t m o s p h e r e i no r d e rt oe n h a n c i n go u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，e f f i c i e n c ya n da p p l y i n gt ot h e e x p l o s i v ea t m o s p h e r e ，t h i sd i s s e r t a t i o nh a sb e e ns t u d i e do u ta ne x p l o s i o n - p r o o fl i n e a r u l t r a s o n i cm o t o r 西es p e c i f i cc o n t r i b u t i o n so ft h i sw o r ka r ea sf o l l o w s 。 1 t h ea n a l y s i so fe x p l o s i o n - p r o o fl u s ma b o u tb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ta n d b a c k g r o u n di sp r e s e n t e d i ti sp o i n t e do u tt h es i g n i f i c a n ta n dp r o b l e m so f e x p l o s i o n p r o o fl u s m 2 b a s e do nt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so fl u s ma n dt h ee x c i t a t i o np r o c e s so f o p e r a t i n gv i b r a t i o nm o d e s ，i ti sd e m o n s t r a t e dt h ee l l i p t i c a lm o v e m e n to fd r i v i n g f o o ta n dp o i n t e do u ts o m ed e s i g nr e q u i r e m e n t so fl u s m 3 t h em a i ns t r u c t u r a ls i z e sw h i c he f f e c to nt h em o d a lf r e q u e n c yo fs t a t o rh a sb e e n a n n y z e da n dd e t e r m i n e db yu s eo fa n s y ss o f t w a r e t h ea s s e m b l yd r a w i n ga n d p o w e rs u p p l yo fe x p l o s i o n - - p r o o fe n c l o s u r eo fe x p l o s i o n - - p r o o fl u s mh a v eb e e n d e s i g n e d 4 n l et w ou n e q u a lm o d a lf r e q u e n c i e sh a v eb e e nr e s o l v e d b yc o m b i n i n gt h e s t r u c t u r ep e r t u r b a t i o na n df i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h r o u g ht h eh a r m o n i cr e s p o n s e a n a l y s i so ft h es t a t o r , t h eo p t i m a lm o d a lf r e q u e n c yh a sb e e nf o u n d f r o mt h e t r a n s i e n ta n a l y s i s ，t h er e s p o n s et i m eo fs t a t o ri sa r o u n do 16 s 5 t h r e ep r o t o t y p es t a t o ro fl u s mh a v eb e e nm a n u f a c t u r e d a f t e ra d j u s t i n go ft w o m o d a lf r e q u e n c i e s ，t h ed i f f e r e n c eo ft h e mi so n l y7 0 h z f r o mt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ，t h em a x i m u ms p e e do fl u s mw i t h o u tl o a di s4 6 m m s t h r o u g ht h e i i i a b s t r a c t e x p l o s i o n p r o o f t e s to fm a n u f a c t u r e dp o w e r s u p p l ye n c l o s u r e ，i ti sp r o v e dt h a tt h e e x p l o s i o n - p r o o f e n c l o s u r ei sq u a l i f i e d k e y w o r d s ：e x p l o s i o n p r o o f m o t o r , l i n e a ru l t r a s o n i cm o t o r ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m o d a lf r e q u e n c y ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i v 图表目录 图表目录 图1 1 直线型超声电机的分类2 图1 2 直梁式直线超声电机3 图1 3 环梁式直线超声电机3 图1 4 单足驻波型直线超声电机4 图1 5 平板直线型超声电机4 图1 6 双足式直线型超声电机4 图1 77 c 型直线超声电机5 圈1 8s u n s y n 公司的x y 定位仪5 图1 9 本多电子公司直线超声电机5 图1 1 0 用于直线型超声电机的高速、大推力换能器6 图1 1la n o r a d 公司开发的p c l m 系列超声电机6 图1 12 直线定位装置6 图1 1 3p i 公司研制的直线超声电机6 图1 1 4 南京航空航天大学研制的直线型u s m 系列7 图1 1 5 基于薄板面内振动的直线型u s m 8 图1 1 6 矩形薄板直线型超声电机：8 图1 1 7 仿生步行小型直线超声电机9 图1 1 8 椭圆振子直线超声电机9 图1 1 9c e d r a tt e c h n o l o g y 公司的直线型u s m 在h e l o s 卫星上的应用9 图1 2 0k y o c e r a 公司用于驱动真空平台的直线型u s m 9 图1 2 1 水压式穿刺1 0 图1 2 2 日本微操作系统进行细胞压电穿刺1 0 图1 2 3 直线u s m 在微型相机中的应用一1 0 图1 2 4 直线u s m 在汽车中应用10 图1 2 5 防爆型二级压电气阀结构1 l 图1 2 6 防爆型三级压电气阀：1l 图1 2 7h o e r b i g e r 公司所生产的本安型系列压电阀1 l 图2 1 矩形截面梁的结构示意图1 5 图2 2 矩形截面梁的结构示意图1 7 图2 3 定子振型示意图1 9 图2 4 电压时序图2 0 图2 5 电机驱动机理示意图2 0 图2 6 口对椭圆轨迹的影响2 1 图2 7 质点的椭圆运动方向随相位差矽值不同的改变2 2 图2 8 压电陶瓷常用的振动模式2 3 图3 1 直线超声电机的装配结构示意图2 5 图3 2 振子表面椭圆分布图2 7 v i i i 图表目录 图3 3 电机定子结构。2 8 图3 4 定子的有限元模型2 9 图3 5h 尺寸对定子纵弯频率的影响3 0 图3 6a l 尺寸对定子纵弯频率的影响。3 1 图3 7a 2 尺寸对定子纵弯频率的影响。3 2 图3 8a 尺寸对定子纵弯频率的影响3 3 图3 9h 尺寸对定子纵弯频率的影响3 4 图3 1 0c 尺寸对定子纵弯频率的影响3 5 图3 1 l 电机隔爆壳体装配示意图3 7 图3 1 2 平面接合面3 7 图3 1 3 压紧螺母式电缆引入装置3 7 图3 1 4 转轴接合面3 9 图3 1 5 电机电源隔爆箱体装配图4 0 图3 1 6 防爆型直线超声电机装配图4 l 图3 1 7 定子上压电陶瓷的粘贴示意图4 2 图3 1 8 压电陶瓷两相电压施加方式和粘贴方法4 2 图4 1 一阶纵振模态。值分布4 7 图4 2 二阶弯振模态。值分布4 7 图4 3 定子的各阶振型图4 9 图4 4 两相模态频率差值与齿槽深度尺寸的关系。4 9 图4 5 定子施加电压的有限元模型5 0 图4 6 驱动足质点纵振( u x2 ) 和弯振( u y3 ) 振幅一频率关系图5 1 图4 7 振幅一时间变化曲线图。5 l 图4 8 驱动足上质点的运动轨迹。5 2 图5 1 电机定子装配实物图5 4 图5 2 直线电机的实验平台。5 4 图5 3 电机串联电感等效电路示意图5 5 图5 4 a 相和b 相的匹配电感5 6 图5 5 电机定子的扫频曲线。5 6 图5 6 修改尺寸后的定子。5 7 图5 7 调试后定子扫频曲线。5 8 图5 8 电机速度一频率关系。5 9 图5 9 电机速度一电压关系6 0 图5 1 0 电源隔爆箱体制造实物图6 l 图5 1 1 电源箱体的防爆试验6l 第一章绪论 1 1 超声电机的概述 第一章绪论 超声电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，u s m ) 是2 0 世纪8 0 年代才开始发展起来的一 种全新概念的微特电机。它的工作原理是利用压电材料的逆压电效应，激发出弹 性体( 定子) 在超声频段内( 大于2 0 k h z ) 的微幅振动，通过定子、转子( 动 子) 之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振动转换成转子( 动子) 的宏观旋转( 直 线) 运动，从而输出运动和力矩，驱动负载【l 】。 超声电机技术融合了材料科学、波动理论、振动学、摩擦学、电力电子、自 动控制和测试技术等学科领域，是一项多学科交叉的崭新领域。超声电机是一种 全新概念和原理的电机，它与传统电磁式电机相比最显著的特点在于其本身没有 磁极绕组和磁路，因而不受电磁场的干扰。另外还具有低速大转矩、结构紧凑、 断电自锁、转子惯性小、响应快、低噪声、速度和定位可控性好等诸多优点。由 于有电磁式电机所无法比拟的优点，超声电机已经成功广泛应用于照相机、汽车、 精密定位仪、航天、核磁共振仪、机器人、医疗、生物工程、微型机械等高新技 术领域【2 1 。 1 1 1 超声电机的分类 由于超声电机结构设计的灵活性和多样性，目前已经研制出了很多种类的超 声电机，所以关于超声电机的著作对其分类的方法并没有完全统一们。下面从 不同的方式划分超声电机的类型，按照运动输出方式超声电机可分为旋转型和直 线型；按照驱动方式超声电机可分为驻波型和行波型；按照定子和转子的接触方 式可分为接触式和非接触式；按照输出转子运动的自由度数可分为单自由度和多 自由度；按照压电元件对定子的激振方式可分为共振式和非共振式；按照定子、 转子的相对运动形式可以分为自行式和非自行式，按照振子的工作振动模态可分 为单一模态型、复合模态型和模态转换型。 1 1 2 直线型超声电机的简介 直线型超声电机是超声电机分类的一种，它也是利用压电材料的逆压电效应 和弹性体在超声频域内的振动，通过定动子之间的摩擦作用，把弹性体的微幅振 动转换成动子的宏观直线运动，从而输出力矩直接驱动负载【5 1 。直线超声电机作 1 第一章绪论 为超声电机的一个分类，它不但具有超声电机的共同特点，自身还具有一些特点 【6 】 ( 1 ) 直接输出直线运动和力矩； ( 2 ) 结构简单、用材少、成本低； ( 3 ) 结构设计灵活、样式多样、容易实现装置的小型化、轻型化； ( 4 ) 由于没有联结机构、齿轮等辅助机构带来的误差和惯性，因此电机的 定位和速度控制精度很高，可达纳米级； ( 5 ) 直线电机的定子和动子在装配上有很好的独立性和灵活性，可以根据 特定的使用环境专门设计结构。 由以上的诸多优点，当前直线型超声电机的发展十分的迅速，而且应用也 日益广泛，在精密驱动系统中大有代替电磁式直线电机的趋势，所以当前对直线 型超声电机的研究已经成为国内外一个热点。 截至目前为止，很多种直线型超声电机已经被研制出来，而且其分类的方法 也是比较多的。直线型超声电机按照利用的波动形式可分为行波型、驻波型两类， 其中行波型直线超声电机又分为环梁式和直梁式，而驻波型直线超声电机根据定 子上驱动足的数量又分为多足式和单足式；按照电机定子接触表面质点椭圆运动 的合成方式，直线型超声电机又分为多模态和单模态；按照直线超声电机利用的 振动位移方向是在定子平面内还是垂直于定子平面，又将其分为面内振动和面外 振动；按照压电振子是作为定子还是动子，将直线型超声电机分为非自行式和自 行式。综合以上分析，对直线型超声电机的分类如图1 1 。 幽型塑声电业 波动形式 ( 椭圆运动合成方式 ( 振动位移方向 ( 压电振子及运动方式 - l 上上 ，一 、上上上 驻 行多 萱 面 面 非 自 波波 模模 内外自 行 振 振 行 型型态 态 动 动 式 式 图1 1 直线型超声电机的分类 2 第一章绪论 1 2 防爆型直线超声电机的应用前景 1 2 1 国内外直线型超声电机的发展与应用 直线型超声电机是在旋转型超声电机研究的基础上演变而来的，早在1 9 8 5 年，日本学者s a s h i d a 就提出了直梁式和环梁式两种行波型直线超声电机的形式 7 1 。1 9 9 3 年s a s h i d a 和k o n i o 两位学者研制出了如图1 2 所示的直梁式行波型直 线超声电机。为了使得直梁产生行波，梁的一端连接一个用于激振的兰杰文振子， 为了防止行波反射而在梁的另一端在连接一个是用于吸振的兰杰文振子。给这种 电机施加电源时，直梁上就会产生行波从而推动滑块运动；如果两个兰杰文振子 对调，那么滑块会反向运动。德国h e r m a n n 和s c h i n k o t h e 两位学者在1 9 9 8 年研 制出了一种环梁式行波型直线超声电机如图1 3 。它是在旋转型超声电机基础上 研制出来的，为了防止波的反射就把导轨做成封闭的环行梁，用粘贴在环行梁内 侧的压电陶瓷激发出环形梁的表面行波，当滑块( 动子) 被压在环形梁直线段时， 滑块就会产生直线运动。 i !： 器 抗 图1 2 直梁式直线超声电机 图1 3 环粱式直线超声电机 行波型直线超声电机的主要不足是效率太低，驱动时整个电机都要产生振动 因此功率消耗大；而且体积也比较大不能实现电机的小型化，因此行波型直线超 声电机在工程应用受到种种限制。广大学者同时又把驻波型直线超声电机作为研 究的主要方向。 富川义朗等日本学者在1 9 8 8 年研制出了一种单足式驻波型直线超声电机 ( 图1 4 ) 。电机定子是用二个叠层式的压电陶瓷分别在二个方向上共同向圆形 的驱动头激振，使其产生振动并使得驱动足上的质点合成椭圆运动，在预压力作 用下推动滑轨( 动子) 作直线运动阳。1 9 8 9 年又设计出了一种利用矩形薄板弯曲 振动和纵向振动的驻波型平板直线超声电。它是利用矩形薄板的一阶纵振和四阶 弯振模态在两端驱动足上合成椭圆运动的阳1 。样机实验测得无负载最大速度为 第一章绪论 7 0 c m s ，最大驱动力为4 n ，效率为2 0 8 。该电机的主要特点是结构简单、扁平、 速度快，特别适合传送纸张、卡片等轻、薄物体。日本的n e c 公司和n i k o n 公司 已经分别在1 9 9 5 年前后制造出了该直线型超声电机的产品。如图1 5 所示。 ? f ! 壤型 度红萨 姨 目 k - ， 矩形弹性体压电陶瓷片 a 相b 相 图1 4 单足驻波型直线超声电机 图1 5 平板直线型超声电机 1 9 8 9 年，上羽贞行等日本学者提出了双足式直线型超声电机【lo j ( 如图1 6 ) 。 这种直线型电机使用了振动力大、效率更高的兰杰文振子，激振方向平行于导轨。 在兰杰文振子的两端各连接一个叠层式压电陶瓷作垂直导轨运动方向的激振。兰 杰文振子与层叠压电陶瓷两者振动频率的相位差被调到最佳输出特性的位置。该 样机使用直径为2 0 m m 的兰杰文振子，其无负载时的最大速度为5 0 c m s ，最大 驱动力为5 n ，最大效率为3 6 。 图1 6 双足式直线型超声电机 1 9 9 0 年，日本学者大西一正提出了一种兀型直线超声电机 j l , 1 2 ( 图1 7 ) 。采 4 第一章绪论 用两个倾斜式布置的叠层式压电陶瓷激发出兀型振子足部的纵向振动和弯曲振 动，并在两驱动足端部合成椭圆运动驱动导轨作直线运动。该兀型直线超声电机 的最大无负载速度为3 0 c m s ，最大驱动力为1 0n 。该种直线型超声电机曾在1 9 9 3 年被日本的s u n s y n 公司应用到x y 定位仪上，并作为产品销售，如图1 8 所 示。 图1 77 c 型直线超声电机图1 8s u n s y n 公司的x y 定位仪 日本本多电子公司在1 9 9 8 年推出了一种薄型直线超声电机的样机( 图1 9 ) 1 1 3 ，它采用三角压电陶瓷作为定子，单侧驱动动子，其最大无负载速度为4 5 c m s ， 最大驱动力为3 n ，效率达到1 0 。 图1 9 本多电子公司直线超声电机 19 9 8 年，m i n o r uk u r i b a y a s h ik u r o s a w a 等日本人提出可用于直线型超声电 机的一种高速、大推力换能器【1 4 ，15 1 ，如图1 1 0 所示。这种换能器无负荷最大速 第一章绪论 度为3 5 m s ，最大驱动力为5 1 n ，最大效率为2 8 。2 0 0 1 年美国a n o r a d 公司 开发出的p c l m ( p i e z oc e r a m i cl i n e a rm o t o r s ) 系列超声电机( 图1 1 1 ) n 6 3 。该 直线型超声电机的最大速度为2 5 c m s ，驱动力在5 3 - - 2 4 5 n 之间，能实现步进 运动，位置精度可达到纳米级。 图1 1 0 用于直线型超声电机的高速、大推力 换能器 毋毋毒 国舅 图1 1 1a n o r a d 公司开发的p c l m 系列超 声电机 美国北卡罗莱纳大学研制出了一种直线定位装置( 图1 1 2 ) 【1 7 1 ，该装置是 由直线型超声电机来定位的，其误差在5 0 纳米以内。2 0 0 6 年，德国p i 公司研 制出了一种直线型超声电机【18 1 ，如图1 1 3 所示，该电机的体积为( 9 6 4 3 2 0 9 ) m m 3 ，最大速度为8 c m s ；可以承受的负载为0 6 9 ，驱动电压范围为2 8 3 2 v 。 图2 直线定位装置图1 1 3p i 公司研制的直线超卢电机 国内对超声电机的研究是从2 0 世纪9 0 年代才开始，清华大学、南京航空航 天大学、哈尔滨工业大学和华中科技大学等高校先后开展了我国超声电机的研究 和开发工作。 第一章绪论 清华大学在1 9 9 3 年研制出了国内第一台直线蠕动式超声电机【1 9 】，该直线电 机由两个超声箝位器、一个驱动器和一根导向轴所组成的。箝位振子的径向工作 频率为6 7 3 3 k h z ，推力约为2 n ，最小步距为5 0 r i m ，直线运动速度为2 m r n m i n 。 并且该电机已经成功地应用于微细电火花加工装置的伺服进给控制系统。1 9 9 4 年，清华大学又率先在国内研制出了一种新型压电步进直线型超声电机【2 0 】。该 电机利用了电流变( e r ) 效应来实现步进运动，当工作电压为1 1 v 时，输出无 负荷步进的速度1 5um s ，推力0 2 5 k g f 1 9 9 6 年，清华大学在直梁式直线型超 声电机的基础上又研制出了具有自校正功能的一种直线型超声电机【2 l 】。 1 9 9 6 年，南京航空航天大学成功研制出了一种单梁式行波直线型超声电机 2 2 , 2 3 】( 如图1 1 4 ( a ) ) ，随后几年的时间，南京航空航天大学超声电机研究中心又 成功研制出了纵弯复合大推力和自行式直线型超声电机【2 4 】，如图1 1 4 ( b ) ，( c ) 所示。2 0 0 1 年，南航超声电机研究中心成功研制了国内第一台基于薄板面内振 动的直线型超声电机( 图1 1 5 ) 。矩形薄板压电陶瓷片的结构尺寸为4 0 1 0 3 m m ，驱动频率为4 2 8 k h z ，有效行程为5 0 m m ，当输入峰峰值2 5 0 v 电压时， 电机的直线运行速度在5 0 m m s 以上，输出推力为5 n 。2 0 0 4 年，该研究中心又 研制出了两台都基于矩形薄板面内振动不同结构的双足直线型超声电机【2 5 】。图 1 1 6 ( a ) 电机的最大无负载速度为7 6 m m s ，输出驱动力为2 n ；图1 1 6 ( b ) 电 机的最大无负载速度为7 6 m m s ，输出驱动力为3 7 n 。 图1 1 4 南京航空航天大学研制的直线型u s m 系列 第一章绪论 图1 1 5 基于薄板面内振动的直线型u s m 图1 1 6 矩形薄板直线型超声电机 ( b ) 2 0 0 1 年，上海大学李朝东研制了一种由扁柱状压电陶瓷构成的仿生步行小 型直线超声电机( 图1 1 7 ) 【26 l 。该电机采用单相电源驱动，不需辅助支持就可 直立走，通过变换驱动频率可以实现直线双向运动，其结构简单，便于小型化， 比较适合于微小型机器人的行走驱动。该直线电机最大速度为0 0 8 m s ，最大负 载为1 5 n 。2 0 0 4 年，台湾的s h i n et z o n gh o 和s h i n f u - n i 设计出了一种椭圆 形振子的直线型超声电机( 图1 1 8 ) i 】引。 第一章绪论 弹性 陌电陶瓷 图1 1 7 仿生步行小型直线超声电机 图1 1 8 椭圆振子直线超声电机 近些年来，随着高新技术的飞速发展，特别是在航空航天、医疗、半导体工 业、汽车、照相机、生物工程、微型机械、机器人等领域追求高精度、高性能、 轻小型、智能化的驱动装置，传统电机已经无法满足科技发展的需要。由于直线 型超声电机的发展和其独特的优点，在上述领域中得到了广泛的应用，加快了人 类科技发展的步伐。 图1 1 9 是法国c e d r a tt e c h n o l o g y 公司研制出应用于人造卫星h e l o s 上的直 线超声电机。图1 2 0 为以色列k y o c e r a 公司生产的基于直线型超声电机驱动的 真空精密平台，并应用于半导体制造业。 ( a ) 直线型u s m ( b ) h e l o s 卫星 图1 1 9c e d r a tt e c h n o l o g y 公司的直线型u s m 在h e l o s 卫 星上的应用 图1 2 0k y o c e r a 公司用于驱动真 空平台的直线型u s m 在基因移植和人工受精的操作过程中，用水压式穿刺时整个细胞会发生很大 变形，从而对细胞核造成伤害，如图1 2 1 ；图1 2 2 ( a ) 是日本h i g u c h i 实验室 研制出了一套细胞操作微处理系统 2 7 1 ，该系统采用了冲击式直线型超声电机， 第一章绪论 能够实现平稳移动。当采用该微操作系统时，实现了平稳推进，细胞没有产生变 形，如图1 2 2 ( b ) 。 ( a ) 微操作系统( b ) 压电穿刺 图1 2 1 水压式穿刺图1 2 2 日本微操作系统进行细胞压电穿刺 图1 2 3 是k o n i c am i n o l t a 公司将直线型超声电机应用到微型相机的聚焦系统 中【2 8 】 2 9 】。图1 2 4 是u n i v e r s i t yo f p a d e r b o md eh e i n z n i x d o r f i n s t i t u t e 研制用于驱 动轿车顶窗的直线型超声电机。 图1 2 3 直线u s m 在微型相机中的应用 图1 2 4 直线u s m 在汽车中应用 1 2 2 防爆型直线超声电机发展前景 由于直线型超声电机具有许多优点，特别是近几十年直线型超声电机技术的 应用日益广泛，许多国家的高校和公司机构都对直线超声电机的应用研究产生了 浓厚的兴趣，所以直线型超声电机的发展速度越来越快。日本在超声电机的研究 方面一直处于世界领先地位，它掌握着世界上大多数超声电机技术的发明专利， 其中涉及到有控制阀、自动门、光偏向器、机器人、x y 定位仪等【3 0 1 。超声电 机的应用在日本早已进入产业化的商业应用阶段。虽然我国对于直线型超声电机 的研究也达到了世界先进水平，并逐步开始进行产业化的探索，但是产业化的进 第一章绪论 程相当的缓慢。目前，国内直线超声电机的应用并没有达到商业化阶段。由以上 所述可知，直线型超声电机的应用领域非常广阔，然而从所查阅文献资料来看， 把直线型超声电机应用于有爆炸危险性的环境当中的研究还没有出现。 但是最近几年，利用压电陶瓷的逆压电效应制成的其它作动器，并应用于爆 炸性危险环境的报道国外已经出现【3 1 1 。朝鲜学者s o n a my u n 指出压电作动器具 有快速响应的同时还不会产生引发爆炸的可能性，因此采用梁式的压电陶瓷制作 成了防爆气阀，在气阀结构中多处使用了压电陶瓷作动器，如图1 2 5 和图1 2 6 分别为其研究的2 级气阀结构图和3 级气阀实物副3 2 】。德国h o e r b i g e r 公司 利用压电陶瓷的逆压电性能，制造出能在爆炸性气体和粉尘环境当中工作的本安 型的压电阀系列产品【3 3 1 。如图1 2 7 所示，该产品通过了欧洲防爆安全认证。这 种防爆型压电阀不但能减少隔爆相关设备，而且还能节约成本，将会有广泛的应 用前景。 图1 2 5 防爆型二级压电气阀结构图1 2 6 防爆型三级压电气阀 图1 2 7h o e r b i g e r 公司所生产的本安型系列压电阀 传统防爆电机主要应用于煤炭、石油、化工、航空、军工等有爆炸性危险的 】1 黜 噶，_；，i*； 嚏# # ，r 嬷i， 室嚣瓣甜咎譬i星重_i|槲鬟麓1i豫n黪鬣h敷 缓魄簦鬟遴瓣蘸黝攀。 第一章绪论 行业。近些年爆炸性事故频繁发生，人们对防爆电机防爆性能的要求也越来越高。 2 1 世纪随着人们生活质量的提高，对防爆电机的振动噪声要求越来越严格。根 据近些年防爆电机的发展情况以及国际市场对防爆电机的要求来看，防爆电机的 发展趋势主要是【3 4 】：1 高效环保型绿色防爆电机；2 实现机电一体化；3 开发特 殊专用防爆电机；4 提高电机整体可靠性。中国电器工业在“十一五”发展规划 建议中曾指出：中小型电机和防爆电机行业作为重点发展的新产品新技术【3 5 】。 综上所述，直线型超声电机具有体积小、功率密度大、低噪声、断电自锁等 诸多优点，如果将这种微特电机研制成一种防爆型直线超声电机，并将其应用到 有爆炸性危险的行业，例如防爆阀，智能防爆开关等产品，它不但能够提高防爆 性能、容易实现机电一体化，而且也还是一种绿色环保型特殊的电机。由此可以 预测防爆型直线超声电机是一种顺应时代发展需求的微特电机，将会有广阔的应 用前景。 1 3 防爆型直线超声电机课题的背景和亟需研究 1 3 1 防爆型直线超声电机课题的背景 本课题源于国家自然科学基金资助项目防爆型压电电机的基础研究 ( 项目编号：5 0 8 0 7 0 4 8 ) 。压电电机由于其工作频率常常在超声频率范围( 大 于2 0 k h z ) ，因而也称其为超声电机。本课题主要目标是研制一种可以在有 爆炸性危险场合所使用的小型或微型超声电机。 本文从直线超声电机的机理出发，借鉴防爆型压电阀的相关资料和传统 的防爆电机设计理念，研制出一种防爆型直线超声电机和防爆驱动电源壳体， 并将研制出的防爆型直线电机和驱动电源在南阳防爆电机研究所进行防爆性 能试验，使其达到合格防爆标准。 1 3 2 防爆型直线超声电机课题的亟需研究 防爆型直线型超声电机是基于直线型超声电机的基础之上进行研究的。另外 直线超声电机发展的时间相比旋转型超声电机还比较短，理论研究工作还不成 熟。目前已经开发的直线型超声电机普遍存在推力不大、效率低和磨损严重等问 题。这些问题阻碍了直线型超声电机实际应用的推广。因此，不但要先从基础上 解决好直线型超声电机普遍存在的问题，还要从防爆电机的设计理念中探索出一 种防爆型直线超声电机。 1 2 第一章绪论 总之，为了使防爆型直线超声电机得以在爆炸性危险环境当中安全的工作， 必须着力解决好以下关键问题： 1 深入开展对直线型超声电机的基础理论研究，研制出一种驱动力矩大， 输出效率高，结构简单小型化的直线型超声电机。 2 对直线超声电机建立数学模型，并进行优化设计及仿真，计算分析出电 机模态频率一致性调节的有效方法。 3 超声电机主要是利用弹性体的共振工作的，而共振又是不稳定的，其输 出性能会因为温度、负载大小、电源波动等因素变化而变化。因此为了提高电机 的稳定性能，需针对压电材料、驱动电路、检测与控制技术等开展深入研究。 4 根据爆炸理论并结合超声电机工作原理，研究直线超声电机和驱动电源 对环境引爆的隐患，以及所应采取的隔爆措施。 5 探究在进行防爆试验时对直线超声电机输出特性的影响。 6 根据爆炸性气体环境用电气设备标准，针对超声电机和驱动电源的 防爆结构进行合理设计计算，确定防爆型超声电机和驱动电源的防爆类型。 1 4 本课题研究的主要内容和重要意义 本文主要研制出了一种防爆型四足直线超声电机和防爆驱动电源壳体，研究 工作的主要内容包括： 第一章绪论概述了超声电机的分类，介绍直线型超声电机的研究历史，以 及国内外的发展与应用，分析出了它的优点以及防爆型直线超声电机应用价值和 发展前景，总结了目前防爆型直线电机亟需解决的问题。 第二章直线型超声电机的工作原理首先介绍了直线型超声电机的工作原 理，确定了电机工作需要的两种模态，分析了电机运动的机理，论述了直线型超 声电机在设计过程中的要求。 第三章防爆直线超声电机结构的设计首先对直线超声电机整体结构方案 进行了设计，又设计了电机定子的结构并对其主要结构尺寸作了有限元分析，确 定了电机和驱动电源防爆壳体的防爆类型以及材料，分别设计出了电机和驱动电 源的防爆壳体，设计出了防爆型直线超声电机整体装配结构以及压电陶瓷的安装 布局。 第四章电机定子结构的优化与仿真对电机定子工作时两相工作模态进行 第一章绪论 调节，先从模态调节的理论上做了分析，在利用有限元软件进行仿真分析出了定 子两相模态频率调节时修改的位置，分析了定子修改尺寸对工作模态频率的影 响，又对定子的进行了谐响应和瞬态分析。 第五章防爆型直线超声电机的制造与实验研究通过对加工制造出的样机 定子修改尺寸调节两相模态频率一致性，然后进行扫频实验，达到工程应用的要 求，在对样机的输出的机械性能做了相关的实验测试。制造出了驱动电源的防爆 壳体实物，对防爆壳体作了相关的防爆性能试验。 第六章总结与展望总结了全文的研究工作，得出了重要的结论和实验结 果，并对下一步的研究工作进行了展望。 我国要在直线超声电机的应用研究领域中大胆创新、开拓思维、抓住时机争 取成为世界上第一个研发出具有实际应用价值的防爆型直线超声电机，并申报此 类电机的专利。可以预测防爆型直线超声电机会有广阔的应用前景，在不久的将 来，防爆型直线超声电机的相关产品一定会为我们人类服务。不仅如此，还要加 快我国的防爆型直线超声电机的产业化进程，让它在我国各领域中遍地开花，也 为我国社会主义现代化建设事业贡献出一份力量，使我国加快成为直线型超声电 机应用的强国。 1 4 第二章直线型超声电机的工作原理 第二章直线型超声电机的工作原理 超声电机输出宏观运动的关键问题之一是在定子表面上的质点形成微观椭 圆运动，质点椭圆运动轨迹的好坏直接影响到电机输出的性能。本章从直线型超 声电机的运动机理出发，确定了四足直线超声电机工作时所需的两相工作模态， 并结合施加给电机电压信号的时序图，阐明了电机定子工作模态的激发过