直線型非接觸式超聲波電機
摘要：非接觸式超聲波電機是20世紀90年代由日本學者首先開始研究的一種新型超聲波電機，由于驅動機理的不同，與傳統的超聲波電機相比，非接觸式超聲波電機的定動子不直接觸，避免了摩擦損耗，壽命長，理論上可以實現更大的速度。近聲場作用方式，通常被稱作NFAL泔ea卜FieldAcoustic Levltatlon]，被懸浮物體的高度在幾十到幾百微米間，它與通常利用駐波遠聲場的懸浮現象有根本的區別。對非接觸式直線型超聲波電機的定子——壓電換能器進行了分析和結構設計，并對壓電換能器樣機進行了模態實驗，獲得相關的動態特性參數；成功制造出了基于NFAL的非接觸式直線型超聲波電機，實驗結果表明，該樣機動子重量為5g時，在峰峰值3f1(】V的激勵電壓下，速度可達到84mm，s。
關鍵詞：聲懸浮：近聲場作用；壓電換能器：超聲波電機
O前言
非接觸式超聲波電機是20世紀90年代由日本學者首先開始研究的一種新型超聲波電機，由于驅動機理的不同，與傳統的超聲波電機相比，非接觸式超聲波電機的定動子不直接接觸，避免
了摩擦損耗，壽命長，理論上可以實現更大的速度。
從結構上分，非接觸式超聲波電機主要有圓筒型、圓盤型和直線型。日本山形大學鈴木勝義教授研制的圓筒型非接觸超聲波電機，依靠壓電陶瓷激發不銹鋼圓筒產生聲輻射壓力來推動內部硬紙板動子轉動；日本山形大學的廣瀨精二研制了基于聲輻射壓力的圓盤型非接觸式超聲波電機。東京工業大學的中村健太郎、胡俊輝、上羽貞行等人的課題組研制了基于近聲場作用的平板
式非接觸超聲波電機，并開展了實驗研究。國內在非接觸式超聲波電機方面，主要針對圓筒型或圓盤型的旋轉式超聲波電機展開了一些研究。吉林工業大學研制了采用了硬鋁材質的圓筒結構的非接觸式超聲波電0，****轉速為670轉／分。上海交通大學研制出利用圓筒特定模態下單相驅動的駐波型非接觸式超聲波電機，****轉速達到了2026轉／分。天津大學進行了利用水或煤油等液體為介質的聲流驅動的非接觸式超聲波電機的實驗研究”j，闡述了超聲振動所產生的能量通過液體傳遞給動子的機理。南京航空航天大學研制了利用聲流驅動的采用圓筒和圓盤型的非接觸式超聲波電機，其中圓盤型的非接觸式超聲波電機****轉速達到603ln，mln，實測的堵轉力矩為3 5×lO。N·m。目前，國內采用近聲場作用的非接觚式直線型超聲波電機尚未見公開報道。
本文首先對非接觸式直線型超聲波電機的核心部分——蘭杰文振子進行了分析和設計，在此基礎上成功研制出非接觸式直線型超聲波電機，實現了懸浮動子的直線傳輸。最后，對近場聲懸
浮的能力和非接觸式超聲波電機樣機開展了實驗研究。
1電機驅動機理
實現物體懸浮的物理方法有多種，如氣動懸浮、電磁懸浮、靜電懸浮等，但是近聲場懸浮(NeldT—Field Acoustic Levitation)相對其它懸浮方式有獨特的優勢：對被懸浮物體沒有電磁學性質上的特殊要求，也不產生剛加效應，原則上可以懸浮任何物質，理論上可達到比遠場聲懸浮更為可觀的懸浮力。因此，基于近場聲懸浮的直線型電機在上述需要非接觸傳送物質的場合有著很大的應用潛力。
NFAL作用方式與通常的駐波聲懸浮現象是不同的。旨先，不需要遠聲場駐波聲懸浮技術中用來增強駐波強度的反射器(圖1)，而是以待懸浮動子作為反射器；其次，懸浮物與聲輻射源
距離通常小于A／2。
基于N隊L的非接觸式超聲波電機利用的物理原理既不同于電磁電機的電磁效應，也不同于傳統接觸式超聲波電機的固體。固體間的摩擦，而是固體。流體一固體這種全新的驅動機理，參見圖2。圖2中電機由兩個蘭杰文振予型的壓電換能器、一根呵作彎曲振動平板和待懸浮運送的物體組成。其中，激振器在激振點施加簡諧激勵，在彈性平板中產生行波向前傳播，利用位于吸振點處的壓電換能器將行波的能量吸收，并將能量消耗在吸收阻抗上，以防I』二行波反射。平板上方的物體被振動產生的聲輻射壓懸浮起來，由流體粘性力驅動物體沿著行波方向運動。
對非接觸式直線型超聲波電機來說，壓電換能器(包括壓電激振器和壓電吸振器)結構設計是電機研制的關鍵之一。
2壓電換能器結構設計
基于近場聲懸浮的直線型電機通過在平板一端激振、并在另一端吸收波動能量防止其反射的方式產生行波。因此，需要兩個壓電換能器分別作為激振器和吸振器，而且它們共振頻率、輸出
振速等動態特性參數必須接近～致。
這里的壓電換能器是一種夾心式超聲換能器，即蘭杰文振子，由首尾兩塊金屬蓋板，及放置于中間的壓電陶瓷片(通常沿縱向極化)組成。這三部分通過螺栓聯接構成，如圖3所示。前端
蓋采用低密度、高拉伸強度的硬鋁材料，后端蓋采用高密度的鋼材料。
壓電換能器(蘭杰文振子)設計完成后，還不能直接用于直線型電機，通常需要在換能器的前端加裝～個截面收縮的變幅桿。其主要作用是把壓電換能器前端的質點速度和振幅放大，將超
聲能量集中在較小的面積上，即聚能作用，因此變幅桿亦稱作為聚能器，如圖4所示。從圖中可以看到，將換能器后端蓋固定，通過變幅桿可達到放大振幅的效果。一般用于壓電換能器的超聲
變幅桿是一個變截面縱向振動彈性回轉體，并且為了達到較好的放大振幅效果，必須處于共振的工作狀態。即連接了超聲變幅桿的壓電換能器(以F仍簡稱為壓電換能器)需作為一個結構整體
工作在諧振狀態。綜合振幅放大系數和易加工性的因素，變幅桿選擇圓錐階梯型形式。
壓電換能器的樣機，如圖5。利用Pvs一300F型多譜勒激光測振系統對原理樣機進行了模態試驗，如圖6所示。圖7和8是樣機l和樣機2的實驗結果。
實驗表明，激勵電壓峰峰值為150 v時，樣機的位移響應振幅可達到4 um，速度振幅達到0 5州s。若增加激勵電壓，其響應值更大，可以用來激勵薄平板產生懸浮動子的聲場。同時，實驗結果說明兩個樣機的一階縱振頻率(分別為20132 Hz和20230 Hz)以及在相同激勵電壓下的響應比較一致，即它們的動態特性近似相同——這一點是很重要的。
在實驗中改變激勵電Ⅱ蘭，壓電換能器激勵表面質點的位移響應及速度響應隨之變化改變該特性為實現直線型電機中。控的懸浮和驅動力奠定了基礎。
在下一步工作中，要實現非接觸式直線型電機上懸浮動子的運動方向可調，就需要作為激振器和吸振器的兩個壓電換能器的動態特性一致。
3電機實驗
直線型非接觸式電機激振器和吸振器間距選為k 7A，激振點與吸振點到直板端部的距離為7A／8=35．9mm【9】，樣機及試驗裝置如圖10。直板和動子材料都為LYl2，掃頻測得電機的工作。
頻率為2l 48 kHz。激振器施加正弦信號，吸振器并聯9kn電阻及6 8Ⅱ1H電感。懸浮動子重量5g，在峰峰值3【)(]V激勵電壓下，滑行均速為84mm／s。電機懸浮動子的****重量為55g，重量再增加，懸浮動子出現停滯。懸浮動子重量一速度曲線如圖12所示。為驗證動子是否懸浮，設計輔助電路如圖板是否接觸。試驗發現，隨著激勵電壓的增大，大時，動予處于懸浮滑行狀態。
4結論
對非接觸式直線型超聲波電機的核心驅動部件——壓電換能器進行了理論分析和結構設計，并加工制造出了換能器樣機。對換能器樣機進行了模態實驗，獲得相關的動態特性參數，實驗發
現壓電換能器動態參數的一致性對電機成功運行具有至關重要的意義。成功制造出了基于NFAL的非接觸式直線型超聲波電機，實驗結果表明，該樣機動子重量為5g時，在峰峰值300V的激勵電壓下，速度可達到84mln，s。
如果能進一步提高此直線電機的懸浮傳動效率，那么此電機將會在硅芯片生產線等需要非接觸傳送物體的場合獲得良好的應用前景。
參考文獻
|
