非接觸壓電微馬達(dá)的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、壓電馬達(dá)是通過壓電體的壓電振動把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的新型換能機(jī)構(gòu)。由于其具有結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動可靠、反應(yīng)靈敏、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，多年來得到了廣泛而深入的研究，新原理新結(jié)構(gòu)的壓電馬達(dá)層出不窮。但是目前研究和應(yīng)用的壓電馬達(dá)多為接觸式壓電馬達(dá)，這種馬達(dá)是依靠定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來驅(qū)動的，因此存在一些問題：(1)摩擦損耗會產(chǎn)生熱量，降低了馬達(dá)的工作效率和壽命：(2)定、轉(zhuǎn)子間的表面接觸限制了馬達(dá)轉(zhuǎn)速的提高，所以其應(yīng)用領(lǐng)域受到了一定的限制。 本

2、課題圍繞非接觸壓電微馬達(dá)展開了研究工作。主要研究了定、轉(zhuǎn)子間非接觸驅(qū)動原理；利用有限元法和等效電路方法對非接觸壓電微馬達(dá)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，優(yōu)化了馬達(dá)的結(jié)構(gòu)；通過微細(xì)加工工藝制作非接觸馬達(dá)樣機(jī)，測試了馬達(dá)的輸出性能。 以有限長桿上激勵(lì)出行波的推導(dǎo)為基礎(chǔ)，分別推導(dǎo)出了圓盤結(jié)構(gòu)下單組和多組壓電陶瓷在圓盤定子上激勵(lì)出行波所必須的激勵(lì)電源的相位條件。接著從非線性聲學(xué)現(xiàn)象出發(fā)，以聲流驅(qū)動和聲輻射壓力驅(qū)動為基礎(chǔ)分別探討了非接觸壓電驅(qū)動的機(jī)

3、理。得出在振子產(chǎn)生的邊界層內(nèi)超聲波非接觸驅(qū)動的主要為聲流驅(qū)動，而在邊界層外是由壁面行波產(chǎn)生的斜向聲輻射壓力驅(qū)動。其產(chǎn)生條件為：僅當(dāng)壁面行波的前進(jìn)速度大于聲速時(shí)，才能夠驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 利用有限元軟件ANSYS，基于旋轉(zhuǎn)式行波壓電微馬達(dá)，建立了圓盤型定子(包括壓電陶瓷和金屬彈性體)有限元模型，首先對定子進(jìn)行模態(tài)分析，確定定子的振動頻率和相應(yīng)的振型；其次在考慮壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)基礎(chǔ)上，模擬定子在高頻驅(qū)動信號下的動態(tài)響應(yīng)特性，探討了定

4、子的諧振頻率和位移響應(yīng)特性。結(jié)果表明：隨著驅(qū)動電壓的增加，表面振幅呈隨線性增加，和實(shí)驗(yàn)測出的結(jié)果吻合很好，從而驗(yàn)證了有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性，為壓電微馬達(dá)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。 通過壓電方程推導(dǎo)出等效電路中的力因子，得出力因子不僅與壓電陶瓷的尺寸和性能有關(guān)系，還和粘結(jié)在壓電陶瓷上的金屬薄片性能有關(guān)系。并利用等效電路模型分析了不同振動模態(tài)下壓電振子的機(jī)電耦合系數(shù)、品質(zhì)因數(shù)及其在共振頻率下的振幅。結(jié)果表明：隨著振動階數(shù)的增加，它們都隨

5、之增大。在驅(qū)動電路上，由于超聲波驅(qū)動屬于容性負(fù)載，可采用并聯(lián)或串聯(lián)一電感來進(jìn)行合理的阻抗匹配，從而提高驅(qū)動器的輸出效率。 在優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合了UV-LIGA工藝研制了一種圓盤型非接觸壓電微馬達(dá)。對微馬達(dá)進(jìn)行了調(diào)壓調(diào)速、調(diào)頻調(diào)速和調(diào)相調(diào)速測試。利用激光位移傳感器對轉(zhuǎn)子的懸浮高度進(jìn)行了非接觸測量，測得在20V下三葉片轉(zhuǎn)子和六葉片轉(zhuǎn)子的懸浮高度分別達(dá)到269μM和162μm。并采用在轉(zhuǎn)子對稱的兩端施加力偶的方法來測量馬達(dá)的輸出力

6、矩，輸出力矩隨轉(zhuǎn)速的增加而線性降低，當(dāng)轉(zhuǎn)速為600rpm時(shí)輸出力矩約為6μN(yùn)·m。 通過對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，即葉片的厚度、半徑和寬度的優(yōu)化，得到最佳的三葉片轉(zhuǎn)子和六葉片轉(zhuǎn)子的葉片寬度分別是6mm和4mm，它們的半徑都是6mm，最高轉(zhuǎn)速分別為3569 rpm和299l rpm。另外，利用定子高階振型驅(qū)動馬達(dá)轉(zhuǎn)子，能明顯提高馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)速度，但這要考慮壓電陶瓷分區(qū)極化的實(shí)際制作能力。 本課題還提出了一種新穎的基于非對稱電極驅(qū)動