一种低频大行程直线型压电电机的研究

　　近年来,集成电路制造、超精密加工、微机电系统(MEMS)和生物医学研究等领域的发展,迫切需要微、纳米级定位精度,响应快,无电磁干扰的工作平台,传统的电磁电机已难满足这方面的要求。基于压电陶瓷逆压电效应的直线电机具有频响高,断电自锁,高功率密度,无磁干扰,体积小,结构简单等特点,且可直接产生直线运动和驱动力、定位精度高,满足微、纳米定位平台的驱动要求[1]。叠层式压电陶瓷通过电学上并联和机械上串联的方式将多片压电陶瓷薄片叠加起来,从而实现多片压电陶瓷片的变形的累加,获得较大的变形量。同时,由于叠层中的压电陶瓷片很薄,驱动电压也较低;且在低频带范围内(小于10 kHz),叠层式压电陶瓷的变形幅值最大且基本保持不变[2]。由此可知,叠层式压电陶瓷可用来设计工作频率低的驱动器。目前使用叠层式压电陶瓷的直线电机,如PI公司的Piezo-Walk直线电机[3],定位精度已达皮米级。在国内,叠层式压电陶瓷多用在直接驱动、基于尺蠖原理或惯性冲击[4-6]的致动器方面,定位精度已达纳米级。本文利用叠层式压电陶瓷设计了一种低频大行程直线电机,为高精密定位平台的驱动进行探索性研究。

　　1　电机结构和工作机理

　　1.1　电机结构

　　图1为电机的定子部分结构图和装配图。电机采用两个并列的菱形结构的定子,定子材料为弹簧钢;压电陶瓷采用4块叠层式压电陶瓷,并通过2个楔块分别将陶瓷压紧;垫片和叠簧用来施加定子驱动足和导轨之间的预压力。

　　由于叠层式压电陶瓷工作在负电压状态下极易退极化[2],所以设置其驱动信号为非负的正向偏置信号。对应图1(a)中的陶瓷编号,压电陶瓷A和B的驱动信号为

　　式中　V为电压幅值;ωt为相位。

　　在低频带内,压电陶瓷的变形与驱动电压基本是线性关系[2],设陶瓷的变形

　　δ=αu (2)

　　式中　α为常数;u为电压幅值.

　　驱动信号和定子运动过程如图2所示。

　　(1)阶段(Ⅰ):陶瓷A的变形δ从αV伸长到2αV,陶瓷B的变形δ从2αV缩短到αV,使定子从图2(a)状态变化到图2(b)状态。

　　(2)阶段(Ⅱ):陶瓷A的变形δ从2αV缩短到αV,陶瓷B的变形δ从αV缩短到0,使定子从图2(b)状态变化到图2(c)状态。

　　(3)阶段(Ⅲ),陶瓷A的变形δ从αV缩短到0,陶瓷B的变形δ从0伸长到αV,使定子从图2(c)状态变化到图2(d)状态。

　　(4)阶段(Ⅳ):陶瓷A的变形δ从0伸长到αV,陶瓷B的变形δ从αV伸长到2αV,使定子从图2(d)状态变化到图2(a)状态。当陶瓷A、B的驱动信号相位差取反时,驱动足方反向运动。

　　图2　单个定子一个周期的运动过程