胡 斌，董亚东，陶 征

（郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001）

1 引言

超声电机具有低速大力矩、响应快、分辨率高和抗电磁干扰等优点[1]。作为一种全新概念的直接驱动装置，超声电机在航空航天、机器人以及微型机械等领域得到了成功应用。作为超声电机中的重要一类，杆式多自由度超声电机除具有上述一般超声电机的特点之外，由于能够提供两个或两个以上自由度的运动，以及灵活的结构形式和驱动方式，从而成为当前压电超声电机领域里的一个研究热点。杆式多自由度超声电机利用压电陶瓷逆压电效应激发出的纵、弯两种异形模态实现电机动力输出[2-4]。然而，根据振动理论，两种异形模态在同一等截面直杆中频率一般是不相等的。为使纵、弯两个振动模式能在同一激励信号作用下达到共振状态，实现电能对机械能的最大转换，确保纵、弯两个工作模态频率具有较高的一致性，详细阐述了杆式超声电机频率一致性设计中遇到的三项关键技术：电机振子设计要求及其结构形式的确定；压电陶瓷片在杆式超声电机振子中的最佳安放位置；基于螺栓联接非线性系统的杆式超声电机精确有限元模型。实验验证得到了较好的整机性能。

2 电机振子设计要求及结构形式确定

杆式多自由度超声电机其工作原理，如图1所示。三组压电陶瓷片（PZT）A、B、C用于激发定子的三个工作模态：一个一阶纵振模态和两个二阶弯振模态。通过模态运动的合成，定子端面任一质点形成椭圆轨迹运动，转子在自重或负载力矩作用下通过与定子的摩擦接触实现绕相应轴的转动。……