盆架形壓電振子同型模態(tài)驅(qū)動(dòng)平面電機(jī)研究

王哲逸，賀紅林，方志敏，吳興強(qiáng)

(南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

超聲電機(jī)是利用壓電材料逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能到結(jié)構(gòu)振動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，并通過(guò)摩擦耦合將振動(dòng)轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)的一種新概念電機(jī)[1]。超聲波電機(jī)的基本工作原理是：將電壓信號(hào)施加在由壓電陶瓷和金屬?gòu)椥泽w構(gòu)成的電機(jī)定子上，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，電機(jī)定子彈性體產(chǎn)生變形，當(dāng)激勵(lì)電壓頻率與定子彈性體的共振頻率接近時(shí)，定子便會(huì)產(chǎn)生一定規(guī)律的機(jī)械振動(dòng)[2-5]。定子發(fā)生振動(dòng)時(shí)，定子表面質(zhì)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一定軌跡的橢圓運(yùn)動(dòng)，一方面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的法向位移對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定壓力，另一方面質(zhì)點(diǎn)和轉(zhuǎn)子間的切向位移使其產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，這樣通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)[6-9]。超聲波電機(jī)是典型的低速大力矩電機(jī),與一般電機(jī)相比其具有輸出力矩大，可控性強(qiáng)，正反轉(zhuǎn)特性一致及低速穩(wěn)定性好等特點(diǎn),非常適用于各類(lèi)航天器和武器裝備的驅(qū)動(dòng)器和伺服系統(tǒng),具有較高的研究?jī)r(jià)值[10-11]。因此，本文建立了盆架形超聲波電機(jī)的有限單元法(FEM)模型，運(yùn)用ANSYS 15仿真分析了改變方桿的高度、橫截面大小、直徑孔的深度和直徑、陶瓷片位置等參數(shù)對(duì)電機(jī)彎縱振的影響[12-13]。針對(duì)定子尺寸對(duì)電機(jī)工作狀態(tài)的影響及對(duì)電機(jī)進(jìn)行定子驅(qū)動(dòng)足振動(dòng)性能和電機(jī)輸出性能的研究,對(duì)完善電機(jī)的設(shè)計(jì)、改善電機(jī)輸出特性具有一定的意義[14]。

1 盆架形超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 定子構(gòu)型設(shè)計(jì)及工作模態(tài)選取

圖1 盆架形超聲電機(jī)定子模型

本文提出的定子模型如圖1(d)所示，定子由4根方桿與十字結(jié)構(gòu)體相連構(gòu)成，在十字結(jié)構(gòu)體中心設(shè)置通孔以便安裝。圖中L為方桿高度，L1為直徑孔高，H為方桿長(zhǎng),K為方桿寬，K1為十字結(jié)構(gòu)體桿長(zhǎng)，K4為十字結(jié)構(gòu)體通孔邊長(zhǎng),R為直徑孔直徑。為使各方桿產(chǎn)生較純正的面內(nèi)彎振和反對(duì)稱(chēng)縱振，在各根方桿與十字結(jié)構(gòu)體連接處開(kāi)設(shè)了小槽口；為增強(qiáng)各桿的柔性以利增大其彎曲工作振幅，在各方桿的中心處制作直徑孔。通過(guò)微調(diào)這些孔的尺寸，還可實(shí)現(xiàn)調(diào)整定子工作模態(tài)頻率的目的，有利于實(shí)現(xiàn)工作模態(tài)頻率的一致性。在4根方桿的頂部均設(shè)有驅(qū)動(dòng)足用于傳遞運(yùn)動(dòng)，并將壓電陶瓷片對(duì)稱(chēng)貼于每根方桿的兩側(cè)。其中靠近十字結(jié)構(gòu)體的16片壓電陶瓷用于激勵(lì)定子產(chǎn)生反對(duì)稱(chēng)縱向伸縮振動(dòng)模態(tài)，靠近兩端的16片陶瓷片用于激勵(lì)定子產(chǎn)生面內(nèi)彎振。選取盆架形定子的前(后)方桿與左(右)方桿的反對(duì)稱(chēng)縱向伸縮振動(dòng)模態(tài)、左(右)方桿面內(nèi)同型“3”字型彎振模態(tài)、前(后)方桿同型“3”字型面內(nèi)彎振模態(tài)作為理想工作模態(tài)。電機(jī)利用反對(duì)稱(chēng)縱向伸縮振動(dòng)分別與左(右)方桿面內(nèi)彎振、前(后)方桿面內(nèi)彎振的振動(dòng)進(jìn)行耦合，從而使左(右)、前(后)方桿驅(qū)動(dòng)足分別復(fù)合形成在yOz、xOz平面運(yùn)動(dòng)的橢圓軌跡，驅(qū)使電機(jī)動(dòng)子板沿著x、y方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的平面運(yùn)動(dòng)。

1.2 壓電陶瓷配置

為了有效激勵(lì)定子三相工作模態(tài)的諧振并減少驅(qū)動(dòng)電源的相數(shù)，同時(shí)也為了盡可能避免 “短路”現(xiàn)象，須對(duì)壓電陶瓷片進(jìn)行合理的供電配置，如圖2所示。為達(dá)到有效激勵(lì)電機(jī)定子的目的，首先對(duì)各壓電陶瓷片與定子基體接觸面的電極均進(jìn)行“接地”處理；同時(shí)，對(duì)用于縱振激勵(lì)陶瓷片組中的各陶瓷片定子基體背離面電極均通入U(xiǎn)2cosωt的簡(jiǎn)諧電激勵(lì)信號(hào)；對(duì)用于前(后)方桿彎振激勵(lì)陶瓷片組中的各陶瓷片定子基體背離面電極均通入U(xiǎn)1sinωt的簡(jiǎn)諧電激勵(lì)信號(hào)；對(duì)用于左(右)方桿彎振激勵(lì)陶瓷組中的各陶瓷片定子基體背離面電極則須通入U(xiǎn)3sinωt的簡(jiǎn)諧電激勵(lì)信號(hào)，其中Ui(i=1,2,3)為激勵(lì)信號(hào)電壓幅值，ω為激勵(lì)信號(hào)頻率，t為時(shí)間。為了能激勵(lì)驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生微米級(jí)振幅，從而驅(qū)動(dòng)足能有效地推動(dòng)動(dòng)子板滑移，要求所接ω與定子的工作模態(tài)頻率接近，且應(yīng)保證各個(gè)工作模態(tài)頻率間的差值不能超過(guò)0.5%。如果各個(gè)工作模態(tài)頻率間相差過(guò)大，則需通過(guò)調(diào)整定子基體的尺寸來(lái)適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)工作模態(tài)頻率，同時(shí)要求驅(qū)動(dòng)信號(hào)U1、U2、U3的電壓幅值應(yīng)控制在150～300 V，并將同組激勵(lì)左(右)方桿面內(nèi)彎振的陶瓷片激勵(lì)方向設(shè)為x方向，同組激勵(lì)前(后)方桿面內(nèi)彎振的陶瓷片激勵(lì)方向設(shè)為y方向, 同組激勵(lì)反對(duì)稱(chēng)縱振的陶瓷片激勵(lì)方向?yàn)橹赶蚨ㄗ踊w方向。

圖2 定子壓電陶瓷極化供電配置

1.3 驅(qū)動(dòng)足橢圓軌跡方程

盆架形電機(jī)定子的數(shù)字模型和工作模態(tài)具有對(duì)稱(chēng)性，故取右驅(qū)動(dòng)桿和前驅(qū)動(dòng)桿來(lái)分析定子驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)軌跡和觸發(fā)激勵(lì)振動(dòng)的條件。根據(jù)上述定子供電配置，首先對(duì)陶瓷片與定子基體接觸的電極面均進(jìn)行接地處理，再對(duì)右驅(qū)動(dòng)桿上的壓電陶瓷片定子基體背離面表面通入頻率相同、初始相位不同的簡(jiǎn)諧電激勵(lì)信號(hào)。此時(shí)右驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)足沿x、z方向的運(yùn)動(dòng)方程為

(1)

式中：ux、uz分別為驅(qū)動(dòng)足沿x、z方向的位移；U、W分別為驅(qū)動(dòng)足在x、z方向的振幅；α、γ分別為驅(qū)動(dòng)足在x,z方向的初始相位。

(2)

同理，對(duì)前驅(qū)動(dòng)桿上的壓電陶瓷片定子基體背離面表面瓷施加頻率相同、初始相位不同的簡(jiǎn)諧電激勵(lì)信號(hào)，此時(shí)前驅(qū)動(dòng)桿驅(qū)動(dòng)足沿y、z方向的運(yùn)動(dòng)方程為

(3)

式中：uy為驅(qū)動(dòng)足沿y方向的位移；V為驅(qū)動(dòng)足在y方向的振幅；β為驅(qū)動(dòng)足y方向上的初始相位。

對(duì)式(3)進(jìn)行變化可得前桿驅(qū)動(dòng)足在yOz平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡：

(4)

由式(2)、(4)可得，當(dāng)φ或φ為π/2時(shí)，驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)軌跡為標(biāo)準(zhǔn)橢圓；當(dāng)φ、φ由π/2減小時(shí)，驅(qū)動(dòng)足橢圓軌跡逐漸變扁；當(dāng)φ或φ為0時(shí)，驅(qū)動(dòng)足的運(yùn)動(dòng)軌跡變成直線。故為了更好地激勵(lì)定子產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，用于激勵(lì)面內(nèi)彎振的簡(jiǎn)諧交變電壓和用于激勵(lì)反對(duì)稱(chēng)縱向伸縮振動(dòng)的簡(jiǎn)諧交變電壓之間需存在π/2的相位差。

1.4 定子驅(qū)動(dòng)機(jī)理

電機(jī)定子對(duì)矩形動(dòng)子板的驅(qū)動(dòng)過(guò)程即3種振動(dòng)模態(tài)耦合的過(guò)程。圖3為一個(gè)振動(dòng)周期下的矩形動(dòng)子板運(yùn)動(dòng)過(guò)程，本文以xOz、yOz面來(lái)展示三相工作模態(tài)疊加下定子的工作原理。

水污染防治方面，深入實(shí)施水污染防治行動(dòng)計(jì)劃，扎實(shí)推進(jìn)河長(zhǎng)制湖長(zhǎng)制，堅(jiān)持污染減排和生態(tài)擴(kuò)容兩手發(fā)力，加快工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染源和水生態(tài)系統(tǒng)整治，保障飲用水安全，消除城市黑臭水體，減少污染嚴(yán)重水體和不達(dá)標(biāo)水體。

圖3 定子驅(qū)動(dòng)足運(yùn)動(dòng)軌跡

1) 在0～T/4(T為周期)時(shí)段，前、后桿的縱振則使它們由初始桿長(zhǎng)伸張成最大桿長(zhǎng)，使左、右方桿上的驅(qū)動(dòng)足與動(dòng)子組件上的矩形動(dòng)子板接觸，而左、右方桿的彎曲模態(tài)振動(dòng)使兩桿由最大面內(nèi)左彎狀態(tài)恢復(fù)成直桿狀態(tài)，從而使左、右方桿上驅(qū)動(dòng)足A、B分別由A1、B1運(yùn)行至A2、B2位置并推動(dòng)矩形動(dòng)子板沿x方向移進(jìn)一個(gè)步矩；與此同時(shí)，前、后方桿的縱振則使它們由初始長(zhǎng)度收縮至最小桿長(zhǎng)，使前、后方桿上的驅(qū)動(dòng)足F、G與矩形動(dòng)子板脫離接觸，前、后方桿的彎曲模態(tài)振動(dòng)則使前、后方桿由最大前面內(nèi)彎狀恢復(fù)成直桿狀，從而使前、后方桿上的驅(qū)動(dòng)足F、G分別由F1、G1行進(jìn)到F2、G2位置。

2) 在T/4～T/2時(shí)段，左、右方桿的縱振使它們均由最大桿長(zhǎng)恢復(fù)到初始桿長(zhǎng)，此時(shí)兩桿上的驅(qū)動(dòng)足仍保持與矩形動(dòng)子板接觸，而左、右方桿的彎振模態(tài)卻使兩桿由直桿狀彎成最大右彎狀，從而使左、右方桿上驅(qū)動(dòng)足A、B分別由A2、B2運(yùn)行至A3、B3位置，并推動(dòng)矩形動(dòng)子板沿x方向再移進(jìn)一個(gè)步矩；與此同時(shí)，前、后方桿的縱振則使它們由初始最小桿長(zhǎng)恢復(fù)到初始桿長(zhǎng)，使前、后方桿上的驅(qū)動(dòng)足F、G仍不與矩形動(dòng)子板接觸，而前、后方桿的彎曲模態(tài)振動(dòng)則使前、后方桿由直桿狀彎曲成最大后彎狀，從而使前、后方桿上的驅(qū)動(dòng)足F、G分別由F2、G2行進(jìn)到F3、G3位置。

3) 在T/2～3T/4時(shí)段，左、右方桿的縱振使其由初始長(zhǎng)度收縮成最小桿長(zhǎng)，而使驅(qū)動(dòng)足A、B脫離與矩形動(dòng)子板的接觸，而左、右方桿的彎振則使它們由最大右彎態(tài)恢復(fù)成直桿狀，從而使左、右方桿上的驅(qū)動(dòng)足A、B分別由A3、B3運(yùn)行至A4、B4位置；與此同時(shí)，前、后方桿的縱振則使它們由初始桿長(zhǎng)伸長(zhǎng)成最大桿長(zhǎng)，致使前、后方桿上的驅(qū)動(dòng)足F、G與矩形動(dòng)子板相接觸，而前、后方桿的彎曲模態(tài)振動(dòng)則使前、后方桿由最大后彎狀恢復(fù)成直桿狀，從而使前、后方桿上的驅(qū)動(dòng)足F、G分別由F3、G3行至F4、G4位置，并推動(dòng)矩形動(dòng)子板沿y方向移進(jìn)第一個(gè)步距。

4) 在3T/4～T時(shí)段內(nèi)，左、右方桿的縱振使其由最小桿長(zhǎng)恢復(fù)為初始長(zhǎng)度，使驅(qū)動(dòng)足A、B仍不與矩形動(dòng)子板接觸，左、右方桿的彎振則使它們由直桿狀彎曲成最大左彎狀態(tài)，從而使左、右方桿上的驅(qū)動(dòng)足分別由A4、B4運(yùn)行至A1、B1位置；與此同時(shí)，前、后方桿的縱振則使它們由最大桿長(zhǎng)恢復(fù)到初始桿長(zhǎng)，使前、后方桿上的驅(qū)動(dòng)足F、G仍與矩形動(dòng)子板保持接觸，而前、后方桿的彎曲模態(tài)振動(dòng)則使前、后方桿由直桿狀彎曲成最大前彎狀，從而使前、后方桿上的驅(qū)動(dòng)足分別由F4、G4行至F1、G1位置，并推動(dòng)矩形動(dòng)子板沿y方向移進(jìn)第二個(gè)步距。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)優(yōu)化

2.1 電機(jī)定子FEM模型

本文中的盆架形定子結(jié)構(gòu)屬于較復(fù)雜的彈性結(jié)構(gòu)，故使用ANSYS對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化建模。定子體由多個(gè)零件組成，需對(duì)不同零件設(shè)置相應(yīng)的材料屬性。定子驅(qū)動(dòng)桿和驅(qū)動(dòng)足選用45號(hào)碳鋼，單元類(lèi)型設(shè)置為SOLID185，壓電陶瓷材料選用PZT-8，單元類(lèi)型設(shè)置為SOLID5，并輸入壓電材料密度、壓電系數(shù)、介電常數(shù)矩陣等參數(shù)?？紤]到定子驅(qū)動(dòng)桿兩側(cè)的壓電陶瓷極化方向成對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，壓電材料的屬性定義按兩種方向進(jìn)行設(shè)置。壓電陶瓷片與彈性體并非一體，需先將兩者粘合在一起再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。定子基體同時(shí)存在小槽口和直徑孔，為了便于網(wǎng)格劃分，先對(duì)其基體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，再對(duì)壓電陶瓷片進(jìn)行更規(guī)則的六面體網(wǎng)格劃分。定子體總單元數(shù)量為105 331個(gè)，選取圖中D點(diǎn)作為后續(xù)分析對(duì)象，圖4為定子構(gòu)型圖。

圖4 定子構(gòu)型圖

2.2 模態(tài)一致性及電機(jī)定子尺寸分析

超聲電機(jī)的平穩(wěn)工作建立在三相工作模態(tài)頻率一致上，而工作模態(tài)頻率與定子結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，研究定子模態(tài)頻率和定子結(jié)構(gòu)尺寸間的關(guān)系尤為重要。盆架形電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)尺寸較多，故取對(duì)定子模態(tài)頻率影響較大的結(jié)構(gòu)尺寸作為定子的特征尺寸進(jìn)行分析。本文提出的盆架形定子為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)故取其左方桿和前方桿進(jìn)行分析，圖5為盆架形電機(jī)定子各特征尺寸與工作模態(tài)頻率之間的關(guān)系。由圖可知，K4增大時(shí)，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率均下降，反對(duì)稱(chēng)縱振頻率基本不變；L1增大時(shí)，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率基本不變，反對(duì)稱(chēng)縱振頻率下降；R增大時(shí)，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率上升，反對(duì)稱(chēng)縱振頻率下降；L增大時(shí)，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率及反對(duì)稱(chēng)縱振頻率均下降，且各模態(tài)頻率的間距擴(kuò)大；H增大時(shí)，左方桿面內(nèi)彎振、前方桿面內(nèi)彎振頻率、反對(duì)稱(chēng)縱振頻率先上升再下降且各模態(tài)頻率的間距減??；K增大時(shí)，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率上升，反對(duì)稱(chēng)縱振頻率基本不變，各模態(tài)頻率的間距減小。

圖5 定子各特征尺寸對(duì)模態(tài)頻率的影響

以滿(mǎn)足三相工作模態(tài)頻率一致性為前提,通過(guò)對(duì)上述結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析得到定子結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 盆架形結(jié)構(gòu)定子優(yōu)化尺寸

3 盆架形壓電定子諧響應(yīng)分析

為保證超聲電機(jī)有平穩(wěn)的工作狀態(tài)，各相工作模態(tài)要有較接近的振動(dòng)幅值和模態(tài)頻率，且在工作模態(tài)附近無(wú)干擾模態(tài)，否則電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中易出現(xiàn)干擾振動(dòng)導(dǎo)致電機(jī)無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。用表1所得優(yōu)化后的數(shù)據(jù)建立電機(jī)定子有限元模型，并給壓電陶瓷片表面施加250 V激勵(lì)電壓，基體接觸面不施加激勵(lì)電壓，并按圖2所示方式對(duì)壓電陶瓷片接電。將諧響應(yīng)分析頻域設(shè)置為43.0～44.5 kHz，計(jì)算步長(zhǎng)50 Hz/步，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。由圖可知，盆架形定子的各相工作模態(tài)振幅均在43 890 Hz左右出現(xiàn)峰值，且在43.0～44.5 kHz時(shí)及峰值附近無(wú)其他干擾模態(tài)，說(shuō)明電機(jī)在此頻段內(nèi)工作穩(wěn)定。

圖6 定子振動(dòng)頻率特性曲線

4 盆架形壓電定子瞬態(tài)響應(yīng)分析

為了確保電機(jī)定子能平穩(wěn)工作，還需對(duì)其進(jìn)行各相振動(dòng)幅值響應(yīng)分析，只有當(dāng)壓電定子驅(qū)動(dòng)足產(chǎn)生微米級(jí)振幅時(shí)才能推動(dòng)矩形動(dòng)子板運(yùn)動(dòng)。借助ANSYS分析軟件對(duì)盆架形壓電定子在給定頻率下的動(dòng)力學(xué)分析。以前方桿上的D點(diǎn)(見(jiàn)圖3(a))為例，對(duì)各陶瓷片施加43 890 Hz、250 V、相位差π/2的激勵(lì)電壓，運(yùn)用ANSYS瞬態(tài)響應(yīng)求解器對(duì)驅(qū)動(dòng)足的位移情況進(jìn)行求解，得到D點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)如圖7所示。由圖可看出,定子驅(qū)動(dòng)足達(dá)到穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的響應(yīng)時(shí)間僅為0.8 ms，定子驅(qū)動(dòng)足振動(dòng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)后沿x、y、z的振動(dòng)幅值分別為為2.0 μm、1.49 μm、3.36 μm，滿(mǎn)足定子驅(qū)動(dòng)要求。

圖7 驅(qū)動(dòng)足沿x、y、z方向的振動(dòng)響應(yīng)

當(dāng)同時(shí)激勵(lì)前(后)方桿和左(右)方桿時(shí)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)耦合現(xiàn)象，圖8為驅(qū)動(dòng)足在xOz，yOz平面內(nèi)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。驅(qū)動(dòng)足橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡呈扁平狀、有較長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)弧。

圖8 驅(qū)動(dòng)足在xOz，yOz平面內(nèi)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡

5 定子運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)特性

超聲電機(jī)以交流電壓作為激勵(lì)信號(hào)，為獲得更穩(wěn)定的工作狀態(tài)，需對(duì)通入的激勵(lì)信號(hào)電壓以及頻率對(duì)驅(qū)動(dòng)足的影響進(jìn)行分析。由圖9(a)可知，隨著施加在陶瓷片上的激勵(lì)信號(hào)電壓不斷升高，驅(qū)動(dòng)足的各向振幅與電壓成線性正比關(guān)系。當(dāng)電壓增大時(shí)，振動(dòng)幅度增大。用頻率不同、電壓相同的激勵(lì)信號(hào)施加于陶瓷片，得到如圖9(b)所示的驅(qū)動(dòng)足調(diào)頻振動(dòng)特性關(guān)系，驅(qū)動(dòng)足的各相振幅與激勵(lì)頻率成非線性關(guān)系。隨著ω的增加，驅(qū)動(dòng)足的振動(dòng)幅值出現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象，振幅峰值出現(xiàn)在43 890 Hz處。

圖9 盆架形定子驅(qū)動(dòng)足振動(dòng)調(diào)節(jié)特性

6 電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)

滿(mǎn)足電機(jī)定子裝夾的同時(shí)，電機(jī)裝配體還需滿(mǎn)足定子和動(dòng)子板之間存在一定的可調(diào)預(yù)緊力來(lái)保證連接的可靠性。本文選取盆架形定子的十字結(jié)構(gòu)體中心處作為裝夾位置，可以大幅度地降低因固定造成的工作模態(tài)漂移。圖10為盆架形定子電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)。由圖可知，壓電定子通過(guò)螺栓與頂部支座固定，通過(guò)橡皮墊圈施加預(yù)緊力和避免直接接觸，動(dòng)子板通過(guò)滾珠與蓋板接觸形成滾動(dòng)副。

圖10 盆架形定子電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)

7 結(jié)論

1) 提出了盆架形平面超聲電機(jī)原理及其定子結(jié)構(gòu)，選取定子的前(后)方桿與左(右)方桿之間的反對(duì)稱(chēng)縱向伸縮振動(dòng)模態(tài)、左(右)桿面內(nèi)同型“3”字型彎振模態(tài)、前(后)桿同型“3”字型彎振模態(tài)作為工作模態(tài)。

2) 建立了盆架形平面超聲電機(jī)的有限元模型，確定定子配電模式，對(duì)定子進(jìn)行三相工作模態(tài)一致性進(jìn)行分析，求得定子的基本結(jié)構(gòu)為53.136 mm×4.550 mm×4.560 mm。

3) 對(duì)定子進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，模擬出定子驅(qū)動(dòng)足運(yùn)動(dòng)橢圓軌跡，驗(yàn)證了電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理。

4) 分析得到了電機(jī)的調(diào)壓、調(diào)頻幅值運(yùn)動(dòng)特性規(guī)律。

5) 設(shè)計(jì)了一種盆架形定子固定夾持方案，建立了電機(jī)的三維裝配模型，利用振子上的4個(gè)驅(qū)動(dòng)足交替推動(dòng)動(dòng)子運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到增大電機(jī)動(dòng)力輸出的目的。