直线超声电机柔性夹持元件的设计

胡 宁 姚志远 赵文涛

南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京，210016

0 引言

因具有结构简单、可直接驱动、重量推力比大、动子惯性小、响应快、断电自锁、可控制性好和定位精度高等优点，直线超声电机在航空航天和精密驱动等领域有着广阔的应用前景，它的研究受到广泛关注［1－3］。1983年，日本学者最早提出了两种行波型直线超声电机［4］。1998年，日本Wakai等［5］研制了一种高速、大推力直线超声电机。该电机最大输出力为51N，最大速度为3.5m／s。2004年，Hemsel等［6］研制出一款新型的基于面内振动的直线电机，该电机也有良好的输出特性。

随着直线超声电机运行机理研究的不断深入和定子结构设计方法的完善，直线超声电机的输出力和速度有了进一步提高。其后的研究重点是提高电机结构的稳定性、运行的平稳性和效率，以便提高电机的控制精度。利用柔顺机构改善电机结构的稳定性是一种发展方向。近几年来，一些国内外超声电机专家把柔顺机构引入超声电机领域中进行了相关研究［7－8］。Wakai等［5］采用柔顺铰链设计直线超声电机定子的驱动足，提高了直线超声电机的输出效率。Lee等［9］设计的直线超声电机也采用横向柔性支撑来固定超声电机定子。

本文以 V形直线超声电机［10－11］的夹持元件为研究对象，采用柔性铰链替代预压力弹簧，将柔性圆弧段（柔性铰链）和弹性支持臂背结合为一体，设计了带有柔性铰链的直线超声电机夹持元件；研究了夹框位移与预压力之间的相互关系，以及柔性铰链对定子振动的影响规律。

1 柔性夹持元件的设计

传统直线超声电机将弹簧和弹性元件作为夹持元件，在弹簧与弹性元件的连接中会存在间隙，这种间隙构成了定子振动系统的非线性边界，增加了振动系统的非线性，从而导致系统运行状态的不稳定。

为了解决传统直线超声电机夹持元件存在的上述问题，简化电机结构，提出运用柔性铰链代替弹簧来设计夹持元件。以V形直线超声电机夹持元件的设计为研究对象，设计了结构为U形的夹持元件。该夹持元件主要由臂尾、柔性圆弧段和支持臂组成，臂尾通过螺栓与夹框连接，支持臂通过连接螺栓与定子相连。支持臂与臂尾的厚度为2mm，中间与两端柔性圆弧的厚度为0.7mm，其材料为65Mn，如图1所示。

图1 柔性夹持元件

夹持元件两端的圆弧形柔性铰链的作用是代替弹簧，以便实现合适预压力的加载，并保持定子振动的线性弹性边界。中间的柔性圆弧铰链是为了消除定子装配中的装配应力，消除干扰模态。

图2是利用该夹持元件组装的V形直线超声电机结构图。其中的夹框能够在动子移动的方向上移动，通过控制夹框与动子的相对位置实现对预压力的加载和控制。

图2 具有柔性夹持的直线超声电机

2 柔性夹持元件结构参数的理论计算

在柔性夹持元件的设计中，柔性铰链圆弧的厚度t是关键结构参数。采用有限元方法分析了整个电机的定子及外框在不同柔性铰链圆弧厚度下，外框的位移随预压力的变化规律。选取了三种柔性铰链圆弧的厚度，分别为0.6mm、0.7mm、0.8mm。

在ANSYS计算中，采用Solid45单元进行网格划分，划分后的网格如图3所示。图3所示的结构左右夹框取固支边界，在施加载荷时，固定外框左右两端，限制其位移。根据实际需要，对电机定子驱动足施加0～100N的预压力F，通过ANSYS计算出柔性铰链最大变形量。

图3 有限元网格划分

柔性铰链的施压变形过程应该属于“大位移、大转动、小应变”的大变形问题，定子的位移与预压力呈现非线性关系。本文利用“large displacement static”计算，其计算结果如图4所示。

图4 有限元分析的柔性铰链的变形曲线

由图4可知，柔性铰链的弹性系数随着圆弧厚度增大而增大；预压力在0～100N的小范围内，定子的位移与预压力具有（近似的）线性关系。t＝0.6mm 时，弹性系数为k1＝105N／mm；t＝0.7mm 时，弹性 系 数 为 k2＝117N／mm；t＝0.8mm 时，弹性系数为k3＝169N／mm。t＝0.6mm和t＝0.7mm时，柔性铰链的弹性系数满足变形要求。考虑到柔性圆弧的结构强度，最后选用柔性铰链圆弧片段厚度为0.7mm作为最佳方案。

3 夹持元件力学特性实验研究

通过理论设计，采用65Mn材料加工出柔性铰链夹持元件，并装配出4台直线超声电机定子进行实验，以研究柔性铰链对定子振动特性的影响。

3.1 夹持元件的弹性系数

定子通过夹持元件固定在夹框上，夹框能够沿y方向移动。在预压力的作用下，夹框沿y方向向动子移动，当驱动足和动子接触后，夹持元件臂尾处的柔性圆弧段发生变形。当固定夹持元件后，由于柔性圆弧段的变形，使得定动子之间在接触点处产生预压力。通过测量整个夹框随预压力增大所产生的位移，绘出图5。图5表明，柔性夹持元件在预压力作用下，其变形量呈线性变化，并且两台电机的夹持元件有相同的弹性系数。预压力与夹持元件变形量的线性变化关系表明，柔性铰链能够代替弹簧施加预压力。柔性铰链的使用消除了传统夹持元件与夹框间存在的间隙。

图5 预压力－位移图

3.2 夹持元件支持下的振动特性

夹持元件的结构形式会对定子的振动特性产生影响。图6所示为中间没有柔性圆弧的夹持元件，该夹持元件在定子的装配过程中，产生附加内应力，导致定子的振动模态发生变化。

图6 中间没有柔性圆弧的夹持元件

定子3和定子4是由图1所示的夹持元件构成的定子，而定子5和定子6是由图6所示的夹持元件构成的定子。采用德国Polytec公司生产的PSV－300F－B型高频扫描激光测振系统测试其振动模态，图7～图10依次为定子3～6的两相振型扫描图。

图7 定子3的两相振型图

从图7～图10中可以看出，定子5和定子6容易产生干扰波峰，并且两相模态频率相差很大，定子之间的振动频率的差距也大。定子5两相波形不一致，定子6两相频率差距为4kHz。上述问题的出现是由于该夹持元件中间的刚性大，在施加预紧力时，产生了装配应力，改变了定子的模态。而定子3和定子4的两相模态是一致的，没有出现大的干扰模态。这说明在施加预紧力时，夹持元件中间的柔性圆弧消除了装配应力。

图8 定子4的两相振型图

图9 定子5的两相振型图

图10 定子6的两相振型图

4 结论

（1）利用柔性铰链代替弹簧设计直线超声电机的夹持元件，能够简化电机的结构。运用有限元软件分析了夹框位移与预压力之间的关系。计算结果表明，柔性圆弧的最佳厚度为0.7mm。

（2）预压力在0～100N的小范围内，定子的位移与预压力呈现线性关系，它表明柔性铰链能够作为线性弹簧用于夹持元件中。柔性铰链的使用消除了因弹簧支撑而存在的夹持元件和夹框间的间隙，也消除了定子振动的非线性边界。另外，夹持元件与夹框为固支连接，提高了电机结构的稳定性。

（3）夹持元件中间的柔性圆弧能够消除装配应力，减小因定子装配对定子振动模态的影响。基于柔性铰链的夹持元件的使用能够改善定子的振动特性，提高电机运行的稳定性。

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