V形压电直线电机结构优化研究综述

黄卫清 薛昊东 安大伟

【摘 要】 V形压电直线电机是一种结构简单、响应快速、机械输出性能良好的压电直线电机，目前在深空探测装备的精密驱动、生物医学的细胞微操作和航空航天飞行器的精密控制上得到了广泛应用，V形压电直线电机结构的优化提高了压电直线电机的输出特性，对拓展压电直线电机的应用领域有着非常重要的意义。文章阐明了V形压电直线电机应用现状以及其研究与应用的必要性，通过分析近年来国内外学者对V形压电电机进行结构优化的技术成果，总结出影响V形压电直线电机输出性能的主要因素，同时对V形压电直线电机的有待进一步探索和研究的问题做出了展望。

【关键词】 V形压电直线电机;运动机理;结构优化;夹持装置

【中图分类号】 TM359.4 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2020）02-0088-03

压电直线电机是利用压电材料的逆压电效应来激励弹性体定子的微幅振动，通过摩擦接触来带动动子的宏观运动。压电直线电机具有速度高、推重比大和结构简单等特点。1982年，由Sashida提出的基于兰杰文换能器的压电电机结构[1]，标志着V形结构的压电直线电机的问世。V形压电直线电机优异的输出特性使其逐渐运用到各个领域，在航空航天、精密控制、生物工程和光学领域都具有光明的运用前景[2]。

1 V形压电电机压电振子的结构优化

V形压电直线电机主要由定子和动子两部分组成，利用对称与反对称模态工作。电机的定子由两个压电复合梁通过柔性铰链呈“V”字形连接在一起。为了进一步提升V形压电直线电机的输出性能，不同结构的V形电机不断地涌现出来，以获得更大的输出效率。

1.1贴片式V形压电直线电机

贴片式压电直线电机由两个压电振子通过柔性铰链连接，压电振子由两片极化相反的压电陶瓷片贴在弹性金属体上，左右两个振子分别在上下两个压电陶瓷施加相反相位的电压信号，就可以得到对称模态和反对称模态，如图1所示。

2010年，Shi等人提出了一种面内模态的贴片式驻波压电作动器[3]，在三角位移放大机构的金属板的表面粘贴了两片压电元件，并施加具有/2相位差的电信号激发放大机构从而产生椭圆轨迹，由于压电元器件的限制，该电机不易于实现小型化。2011年，韩国学者Jeong设计了一种贴片式V形压电直线电机[4]，该电机结构实现了电机的微型化，压电陶瓷片长11mm，宽2mm，厚度为0.2mm，通过实验改变V形结构的夹角，获得最大转速700rpm，最大力矩为0.8Ncm。该电机由于结构简单尺寸微小，具备了更好的经济性和实用性。2017年，Yang等人为了改良两相振动频率的不一致，将U形贴片式压电电机的拱梁形结构改成具有夹角的V形结构，通过确定定子灵敏度因素，优化了V形结构夹角角度等结构参数，在夹角定子90°，350Vpp电压下，最大空载速度为1.2m/s，300Vpp电压下，最大输出力为15N[5]。

1.2夹心式压电直线电机

夹心式V形压电直线电机主要通过螺栓将弹性体和压电元件连接在一起，弹性体分为前端盖（驱动端面）和后端盖，共同形成夹合结构。1998年，Kasawa提出的大推力压电直线电机就是一款最经典的复合模态夹心式V形压电直线电机，开启了夹心式压电电机的广泛研究热潮。2009年，Yang等人将传统直杆结构振子改进成线性的变截面杆[6]，通过有限元法仿真，有效放大了定子振幅，得到了更好的输出性能，但是由于实验中接触面和动子之间的摩擦损耗，对电机的输出性能有一定程度的影响，在预压力为50N，驱动电压有效值110V时，得到最大输出力21.4N，如图2所示。

2013年，许海等人针对V形压电直线电机的斜椭圆运动轨迹进行了完整的过程分析并建立了机械特性方程，为之后的结构优化提供了理论基础。2019年，姚志远等人利用模态耦合的工作原理，提出了一种由矩形板组成的压电直线电机[7]，该设计易于在狭窄空间作业，通过对定子前端盖的优化增大了振幅，预压力为200N，电压500V条件下，最大推力达到70N。

1.3双驱动足压电直线电机

在前面的V形夹心式压电直线电机的基础上，2008年李玉宝等提出了一种蝶形双足驱动压电直线电机[8]，如图3所示，分析共振频率并优化了结构参数，使两相共振频率达到了一致，并获得了较大的输出效率。

2 V形压电直线电机夹持装置结构优化

弹性夹持装置是连接电机动子和定子的关键结构，合理的夹持装置影响电机的输出效率、稳定性能和位移分辨率。2011年，于会民等人提出了一种基于直圆柔性铰链的夹持装置[9]，预压力通过螺栓压缩碟簧施加，通过机械特性试验，该方案有效地提高了电机运行的稳定性和机械性能，最大输出力达到了28.8N。

2012年，胡宁等人设计了一种带柔性铰链的V形压电电机夹持装置[10]，该装置两边的铰链用于加载预压力，中间的铰链用于减缓定子装配的附加应力，并减少对模态的影响，实验表明，该夹持装置对模态无干扰，两相一致性良好。2015年，简月等人探讨了夹持装置的设计方法[11]，建立了柔性夹持结构的力学模型，以此为基础设计了一种新型梁式夹持装置，如图4所示。实验表明，相比于传统的柔性圆弧式夹持装置其有更好的输出力和输出速度，但是该实验没有考虑夹持装置对定子振幅的影响，也缺少夹持装置的加装位置和模态变化之关系的研究。

3 V形压电直线电机输出效率优化分析

2004年完整的传动力学模型和电机控制模型的建立，为推进V形压电直线电机实验奠定了理论基础。之后，学者们对V形压电直线电机进行了多种结构的优化，通过上述文献分析可以得出壓电振子结构、夹持装置结构、预压力、驱动电压、驱动电压频率、压电材料对输出特性有着直接的影响，采用高压驱动、高预紧力，可以得到较大的输出力。在分析过程中发现，当预紧力增大到一定值时输出特性变差且稳定性降低，这是由于压电直线电机的输出力和速度的大小主要依靠定子和导轨接触面上的摩擦动力的传输，高预紧力使V形结构的压电直线电机更接近“整体”，但会破坏应变和电场之间的线性关系，同时夹持机构的缓变会造成振幅的跳跃和滞回等现象;定子和导轨之间的摩擦磨损也会对V形压电直线电机的机械特性和应用寿命造成直接影响。因此合适的预紧力、定子表面摩擦材料、摩擦的补偿方法、稳定的激励电压幅值、直线电机控制技术的优化也是影响压电直线电机的非线性行为，影响压电直线电机的稳定性及推力的重要因素。

4结论

V形压电直线电机结构的优化提高了压电直线电机的输出特性，对拓展压电直线电机的应用领域有着非常重要的意义。本文从V形压电电机压电振子、夹持装置结构优化及V形压电直线电机的非线性抑制三方面对近些年关于V形压电直线电机技术的分析和总结，V形压电直线电机的研究在取得很多成果的同时仍然存在有待进一步探索和研究的的问题。

通过不同结构的V形压电直线电机研究得出影响输出特性的参数有电压、频率、预压力、相位差等变量，为了使电机可以运用在不同场合，优化电机结构的同时，减小驱动电压，简化驱动电路是今后的进一步研究方向，减少变量以优化直线电机的设计方法;由于夹持装置提供的预压力会对模态变化产生一定的影响，当发生质心震颤时正负相机械输出特性也会存在差异，因此，设计一体化、轻量化夹持结构来减轻对输出效率的影响和缩小电机尺寸也是当前的研究重点。

通过对文献的研究发现，目前对V形压电直线电机的研究偏向于结构设计，在理论模型方向上研究较少。当振动能传输在V形结构两个振子的耦合点时，能量会发生传输和反射现象，同时不同的振动波会相互转化。在精密驱动领域，电机纳米级的精度要求和可靠的持续工作状态是能否广泛应用的关键，所以需要建立整机动力学模型来优化电机结构、设计驱动电路、预估电机性能和提高控制精度。

电机定子主要依靠接触摩擦来带动动子运动实现动力输出，所以摩擦接触制约了动子的输出位移和输出精度。需要进一步加强对摩擦动力耦合机理的理论研究，在驱动端面和动子之间尝试使用不同的摩擦幅，并建立摩擦动力学模型，提高摩擦耦合效率;尝试改变驱动端面和动子接触面的材料，例如使用无机非金属材料或高强度复合材料，以减小摩擦系数;采用摩擦补偿的控制方法，建立动态的摩擦过程的模型来提高机械输出性能。

V形压电直线电机虽然结构简单，但存在输出效率不足的弊端，因此应用场所受到限制。今后应继续增加多模式压电电机的研究，根据具体应用场合优化设计方法和系统集成方法，配合多模式动作器驱动控制技术，采用新型压电材料来提高电机输出效率，实现高精度定位的多维化应用。

【参考文献】

[1]Sashida T. Trial Construction and operation of an ultrasonic vibration driven motor： theoretical and experimental investigation of its performances[J].Oyobuturi，1982（51）：713-720.

[2]An D，Yang M，Zhuang X，et al. Dual traveling wave rotary ultrasonic motor with single active vibrator[J].Applied Physics Letters， 2017，110（14）：143507.

[3]An D， Ning Q，Huang W， et al. Effect of damping factor variation on eigenfrequency drift for ultrasonic motors[C]//International Conference on Intelligent Robotics and Applications.Springer，Cham， 2019：285-291.

[4]Jeong S S，Park T G，Kim M H， et al. Characteristics of a V-type ultrasonic rotary motor[J].Current Applied Physics，2011，11（3）：S364-S367

[5]Li X，Yao Z，Yang M.A novel large thrust-weight ratio V-shaped linear ultrasonic motor with a flexible joint[J].Review of Scientific Instruments，2017， 8（6）：65003.

[6]杨东，姚志远.双变幅杆V形直线超声电机研究[J].压电与声光，2009，31（5）：685-687，691.

[7]张百亮，姚志远，简月，等.基于弯曲模态的板形直线超声电机结构设计[J].振动与冲击，2019，38（1）：110-117.

[8]李玉寶，时运来，赵淳生.蝶形双驱动足直线超声电机设计及实验[J].光学精密工程，2008，16（12）：2327-2333.

[9]于会民，陈乾伟，黄卫清.柔性铰链结构夹持的直线型超声电机[J].微电机，2011，44（3）：1-4.

[10]胡宁，姚志远，赵文涛.直线超声电机柔性夹持元件的设计[J].中国机械工程，2012，23（9）：1089-1091，1098.

[11]简月，姚志远，杨模尖，等.V型直线超声电机梁式夹持的结构设计[J].光学精密工程，2015，23（5）：1358-1364.