白永明

(無錫工藝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇宜興214206)

0 引言

目前市場(chǎng)上使用的中空電機(jī)一般為電磁型電機(jī)，由空心轉(zhuǎn)軸、磁鋼、鐵芯、平衡塊、端蓋、磁環(huán)和機(jī)殼等主要構(gòu)件組成。雖然電磁型電機(jī)的研究比較成熟，使用廣泛，但也存在一定的缺陷，限制其在某些特殊領(lǐng)域的使用。電磁型中空電機(jī)轉(zhuǎn)軸是細(xì)長(zhǎng)型的，中空內(nèi)徑可調(diào)范圍??；工作時(shí)有磁場(chǎng)，在一些必須無磁的醫(yī)用器材和深空探測(cè)的攝像設(shè)備上就無法使用；結(jié)構(gòu)復(fù)雜致使電機(jī)質(zhì)量大，如用于深空探測(cè)則會(huì)增大發(fā)射質(zhì)量；電磁電機(jī)斷電不能自鎖如用于相機(jī)鏡頭自動(dòng)調(diào)焦則會(huì)影響定位精確性。

為了克服現(xiàn)有電磁型中空電機(jī)的不足，國(guó)內(nèi)外很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者研發(fā)基于壓電技術(shù)驅(qū)動(dòng)的中空軸壓電電機(jī)。壓電電機(jī)具有無線圈，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、斷電自鎖、低速大力矩和工作無磁等優(yōu)點(diǎn)［1］。中空軸壓電電機(jī)將在鏡頭自動(dòng)調(diào)焦、深空探測(cè)和一些特殊醫(yī)用設(shè)備上將有著良好的應(yīng)用，圖1所示為行波驅(qū)動(dòng)中空軸壓電電機(jī)在相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦設(shè)備上的應(yīng)用。

圖1 應(yīng)用中空軸壓電電機(jī)的鏡頭

1 駐波驅(qū)動(dòng)中空壓電電機(jī)的設(shè)計(jì)

行波驅(qū)動(dòng)中空軸壓電電機(jī)的驅(qū)動(dòng)行波需要兩相同頻相位差為90°駐波合成，通過在分區(qū)極化壓電陶瓷上施加同頻相位差為90°的正弦激勵(lì)信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2。行波電機(jī)定子上開有密布的槽，定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工比較困難，壓電陶瓷分區(qū)極化精度要求嚴(yán)格，此外如要制作大直徑中空壓電電機(jī)所需的大尺寸壓電陶瓷制備也很困難［2］。因此本設(shè)計(jì)研究提出一種定子結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、依靠駐波驅(qū)動(dòng)的新型中空壓電電機(jī)。

本研究設(shè)計(jì)的中空軸壓電電機(jī)主要包括定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)座和其他附屬裝置，其中定子是重點(diǎn)設(shè)計(jì)部件。

如圖3所示的定子結(jié)構(gòu)圖，振動(dòng)體包括橫向振動(dòng)體3和縱向振動(dòng)體8兩部分構(gòu)成，通過焊接聯(lián)接。橫向振動(dòng)體的兩端分別裝有壓電陶瓷2，兩者的極化方向相反，施加相同的激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生相反的運(yùn)動(dòng)，縱向振動(dòng)體底部也裝有壓電陶瓷。利用壓電陶瓷的d33效應(yīng)分別激發(fā)定子橫向和縱向振動(dòng)體的剛性振動(dòng)，可在振動(dòng)體的端部合成橢圓運(yùn)動(dòng)，再通過驅(qū)動(dòng)頭9驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。橫向和縱向振動(dòng)體設(shè)計(jì)為圓柱體結(jié)構(gòu)，便于加工制作，振動(dòng)也均為獨(dú)立的強(qiáng)迫振動(dòng)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)相互直接影響要比行波壓電電機(jī)小。

圖2 行波驅(qū)動(dòng)中空軸壓電電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖3 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

定子兩側(cè)和底部為固定安裝板1和6，用以固定振動(dòng)體。兩側(cè)的固定安裝板側(cè)面有內(nèi)螺紋孔，裝有內(nèi)調(diào)節(jié)螺釘6用于固定橫向振動(dòng)體?？v向振動(dòng)體則直接通過螺紋聯(lián)接固定于定子底部的固定安裝板上。

壓電陶瓷使用時(shí)需有一定的預(yù)緊力，可通過兩側(cè)固定件的螺紋聯(lián)接緊壓在振動(dòng)體上。以橫向振動(dòng)體一側(cè)的壓電陶瓷安裝為例(圖4)，壓電陶瓷置于螺紋聯(lián)接中間，調(diào)節(jié)螺紋聯(lián)接的松緊度即可實(shí)現(xiàn)預(yù)緊力的調(diào)整，其余兩組壓電陶瓷的安裝方式一致。

定子裝配效果如圖5，定子振動(dòng)體的材料選用磷青銅，其剛度大而且散熱快；壓電陶瓷采用PZT8壓電陶瓷，其可以直接利用信號(hào)發(fā)生源與功放來驅(qū)動(dòng)和進(jìn)行測(cè)試，可承受的反向電壓高，不容易退極化［3］；振動(dòng)體固定安裝板選用45鋼。

圖4 壓電陶瓷安裝圖

圖5 定子結(jié)構(gòu)效果圖

壓電電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，定、轉(zhuǎn)子間必須有一定的預(yù)壓力，預(yù)壓力可通過安裝在定子上的薄片彈簧加以調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)支座固定在機(jī)座上，其上裝有一調(diào)節(jié)螺釘，調(diào)節(jié)螺釘?shù)撞宽斪”∑瑥椈芍行?，通過擰緊或旋松螺釘即可方便調(diào)節(jié)定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力。驅(qū)動(dòng)定子數(shù)量可以根據(jù)需要合理選擇。

定子橫向和縱向振動(dòng)體的壓電陶瓷分別施加同頻同幅相位差為90°的正弦信號(hào)。通過設(shè)置兩個(gè)正弦信號(hào)相位差的超前或滯后實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。

根據(jù)需要可以選擇將定子置于轉(zhuǎn)子的內(nèi)部或者外部來調(diào)節(jié)電機(jī)的中空內(nèi)徑。

如圖6所示，定子內(nèi)置式中空壓電電機(jī)。定子位于轉(zhuǎn)子5內(nèi)部，安裝于機(jī)架6的凹槽內(nèi)，通過兩側(cè)壓板3固定。定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)緊力通過薄片彈簧1和調(diào)節(jié)螺釘2調(diào)節(jié)。

圖6 定子內(nèi)置式中空壓電電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)動(dòng)體5和轉(zhuǎn)子支架4。轉(zhuǎn)動(dòng)體通過滾珠安裝于轉(zhuǎn)子支架上，支架固定在機(jī)架上。因此類電機(jī)的驅(qū)動(dòng)負(fù)載小，轉(zhuǎn)子可采用類似球軸承結(jié)構(gòu)或直接通過球軸承改裝。機(jī)架中間開通孔，由此形成定子內(nèi)置式中空壓電電機(jī)。電機(jī)機(jī)架設(shè)有安裝孔7。裝配效果如圖7。

圖8所示為定子外置式中空壓電電機(jī)，工作原理與定子內(nèi)置式一致中空壓電電機(jī)，選擇將定子置于外部可以增大中空內(nèi)徑，裝配效果如圖9。

圖7 定子內(nèi)置式電機(jī)效果圖

圖8 定子外置式中空壓電電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

圖9 定子外置式電機(jī)效果圖

2 結(jié)語(yǔ)

研究發(fā)現(xiàn)，與行波中空軸壓電電機(jī)相比，采用駐波驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn):電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便；采用PZT8壓電陶瓷，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單；定子安裝方式靈活，中空內(nèi)徑的調(diào)節(jié)范圍寬；定子數(shù)量可根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)節(jié)，需要大推力就增加定子數(shù)量，需要減輕電機(jī)質(zhì)量就減少定子數(shù)量。要得出駐波驅(qū)動(dòng)中空軸壓電電機(jī)的具體運(yùn)行參數(shù)，還須制作出樣機(jī)并進(jìn)行大量試驗(yàn)研究。

［1］褚祥誠(chéng)，袁松梅，李龍土.一種新型中空結(jié)構(gòu)的行波壓電電機(jī)［J］.壓電與聲光，2005，27(6):640-642.

［2］趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:科學(xué)出版社，2007.

［3］蘇艷文.薄板面內(nèi)振動(dòng)直線型超聲電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2007.