縱彎復(fù)合模式直線型超聲波電機(jī)研究與實(shí)驗(yàn)

翁志剛

（皖西學(xué)院機(jī)械與電子工程系,安徽六安 237012）

縱彎復(fù)合模式直線型超聲波電機(jī)研究與實(shí)驗(yàn)

翁志剛

（皖西學(xué)院機(jī)械與電子工程系,安徽六安 237012）

研究了縱-彎模式直線型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理,設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)輸出大力矩的縱-彎復(fù)合模式直線型超聲波電機(jī)樣機(jī),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,繪制了在一定的預(yù)壓力、預(yù)緊力和驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)候激勵(lì)頻率與速度的關(guān)系曲線,在一定的預(yù)緊力、預(yù)壓力和激勵(lì)頻率下驅(qū)動(dòng)電壓與速度的關(guān)系曲線以及預(yù)緊力、激勵(lì)頻率和驅(qū)動(dòng)電壓一定情況下預(yù)壓力與速度的關(guān)系曲線,并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種新型結(jié)構(gòu)電機(jī)充分體現(xiàn)了超聲波電機(jī)良好的性能特點(diǎn),特別是能輸出較大的轉(zhuǎn)矩,具有良好的應(yīng)用前景。

超聲波電機(jī);直線;縱-彎復(fù)合

引言

超聲波電機(jī)（Ultrasonic Motor,USM）是一種基于壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)原理的新型電機(jī)。其工作原理是將超聲頻率的電信號(hào)加在壓電陶瓷片上激發(fā)對(duì)應(yīng)頻率的振動(dòng),通過(guò)耦合或者復(fù)合在定子端部質(zhì)點(diǎn)形成納米級(jí)的橢圓振動(dòng)軌跡,質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)在定轉(zhuǎn)子之間有一定預(yù)壓力的前提下,轉(zhuǎn)子被定轉(zhuǎn)子之間的摩擦力所驅(qū)動(dòng)。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比,它具有響應(yīng)快、低速大轉(zhuǎn)矩、斷電自鎖、定位精度高、無(wú)電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[1]。

以往超聲波電機(jī)基本上是單一模式的,例如縱向振動(dòng)模式、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)模式或彎曲振動(dòng)模式。這種電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、頻率低、頻率范圍寬等特點(diǎn),在一些新的超聲應(yīng)用中,對(duì)振動(dòng)能量的傳播方式及作用形式提出了不同的要求,例如超聲旋轉(zhuǎn)加工需要扭轉(zhuǎn)或縱-扭復(fù)合模式,超聲馬達(dá)需要縱-彎或縱-扭復(fù)合模式,而外科手術(shù)用的超聲手術(shù)刀,則需縱-彎復(fù)合模式中的彎曲振動(dòng)產(chǎn)生有效的側(cè)向分離力縱向振動(dòng)完成組織的切除任務(wù)。另外,在一些應(yīng)用的場(chǎng)合我們需要產(chǎn)生直線的運(yùn)動(dòng),而利用傳統(tǒng)的電磁電機(jī)要獲得直線運(yùn)動(dòng)需要中間的轉(zhuǎn)換裝置（鏈條、鋼絲繩、傳動(dòng)帶、齒條或絲桿等）,這樣就使得整個(gè)設(shè)備存在著體積大、效率低、精度低等問(wèn)題,鑒于此,本文以縱-彎復(fù)合模式直線型超聲波電機(jī)作為研究對(duì)象,希望能為該類型的電機(jī)研究積累一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)。

1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)理與電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 定子結(jié)構(gòu)示意圖

本次設(shè)計(jì)的超聲波電機(jī)采用螺栓緊固的蘭杰文（Langevin）振子結(jié)構(gòu),如圖1所示,用一根螺栓將前蓋板、陶瓷片、后蓋板以及電極緊固在一起,這樣的結(jié)構(gòu)相比較黏結(jié)的結(jié)構(gòu)不僅裝配起來(lái)方便,而且可以通過(guò)螺栓來(lái)調(diào)節(jié)預(yù)緊力。中間的四片陶瓷片的極化方向和擺放方式如圖2所示,其中彎曲振動(dòng)陶瓷片極化方向沿厚度方向,極化時(shí)兩個(gè)半圓的極化方向相反,這樣在陶瓷片上兩邊加同一激勵(lì)電壓時(shí)就會(huì)產(chǎn)生沿厚度方向一邊伸長(zhǎng)一邊縮短,從而使定子產(chǎn)生彎曲。當(dāng)這個(gè)電壓產(chǎn)生交變時(shí),就會(huì)使定子產(chǎn)生相同頻率的彎曲振動(dòng)。當(dāng)定子越細(xì)長(zhǎng)的時(shí)候,在定子端部的彎曲振動(dòng)振幅必然也越大?？v向振動(dòng)陶瓷片極化方向也是沿著厚度方向,整個(gè)圓環(huán)沿厚度方向極化方向一致,在外加交變電壓的情況下,陶瓷片沿著厚度方向伸縮,使定子端部產(chǎn)生上下的縱振動(dòng)。在兩組壓電陶瓷片上施加兩路同頻率且相位差為90°的激勵(lì)電壓時(shí),定子同時(shí)產(chǎn)生彎曲振動(dòng)和軸向縱振動(dòng),則在定子端部形成橢圓運(yùn)動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)移動(dòng)子做直線運(yùn)動(dòng)。圖3所示為定子分別在縱振和彎曲振動(dòng)激勵(lì)下的振型示意圖。如激勵(lì)的兩相電壓相位差為90°時(shí)電機(jī)正向做直線運(yùn)動(dòng),而相位差為-90°時(shí),電機(jī)做反向的直線運(yùn)動(dòng)[2][3]。

圖2 陶瓷片極化方向與擺放順序

圖3 定子的一階縱振和二階彎振振型示意圖

圖4所示為本次設(shè)計(jì)的縱-彎復(fù)合模式直線型超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,一根螺栓將前蓋板、陶瓷片和后蓋板緊固在一起形成蘭杰文振子,并固定在定子固定底座上。為了保證導(dǎo)軌左右做直線運(yùn)動(dòng),陶瓷片擺放的時(shí)候彎曲振動(dòng)的片的分極分界線應(yīng)該垂直圖4所示的紙面。圖中前蓋板設(shè)計(jì)成圓臺(tái)形狀的變幅桿,這樣可以放大振幅從而獲得較大的驅(qū)動(dòng)力。而且采用這種連續(xù)變截面的變幅桿比突變截面的變幅桿在波以及能量的傳輸?shù)倪^(guò)程中具有較小的損耗[4][5]。

圖4 設(shè)計(jì)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 電機(jī)樣機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)圖4的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)樣機(jī)。并與驅(qū)動(dòng)電源、直流電源、示波器等組成試驗(yàn)平臺(tái)。直流電源提供0-30V的直流電壓,超聲波驅(qū)動(dòng)電源輸出頻率15-100KHz的交變信號(hào),示波器用來(lái)監(jiān)視電源輸出的信號(hào)的波型、頻率、峰-峰值等參數(shù)。

2.1 激勵(lì)頻率-速度輸出特性

在電源輸入電壓12V、預(yù)壓力為4.9N的條件下,測(cè)試了樣機(jī)的激勵(lì)頻率-速度特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試曲線如圖5所示。

從圖5的曲線可以看出:電機(jī)的諧振頻率為25. 82k Hz附近,此時(shí)速度最大。輸入信號(hào)頻率偏離諧振頻率越大,速度越低,近似的成正態(tài)分布。但設(shè)計(jì)頻率與實(shí)際測(cè)試的系統(tǒng)共振頻率有一定的誤差,主要是由于加工與裝配等因素引起的,預(yù)緊力的大小對(duì)電機(jī)諧振頻率也有一定的影響。

圖5 樣機(jī)的激勵(lì)頻率-速度曲線圖

圖6 樣機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓-速度特性曲線圖

2.2 驅(qū)動(dòng)電壓-速度特性

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是在頻率為25.82k Hz與預(yù)壓力為4. 9N的條件下測(cè)試電機(jī)的輸出速度隨輸入電壓變化的情況。通過(guò)電壓調(diào)節(jié)控制電機(jī)輸出速度的變化,測(cè)得的輸出速度和電源輸入電壓之間的關(guān)系曲線如圖6所示。由圖可見(jiàn),電機(jī)的輸出速度隨驅(qū)動(dòng)電壓變化趨勢(shì)有明顯的近似線性關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電壓增大,輸出的速度隨之增大。根據(jù)壓電陶瓷材料的性質(zhì),由壓電系數(shù)可知,當(dāng)加在它上面的電壓增大時(shí),其變形也增大,使得整個(gè)超聲振動(dòng)系統(tǒng)的振幅也隨之增大,引起彎曲撓度增大,從而輸出速度也會(huì)增大。

2.3 預(yù)壓力-速度特性

超聲波電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的接觸狀態(tài)一般取決于定轉(zhuǎn)子間預(yù)壓力大小和定子表面激勵(lì)的縱振動(dòng)振幅。預(yù)壓力是影響超聲波電機(jī)輸出性能的重要參數(shù)之一。在電源輸入電壓為12V及輸入信號(hào)頻率25.82kHz條件下測(cè)試了樣機(jī)的輸出速度與預(yù)壓力關(guān)系,如圖7所示。

圖7 預(yù)壓力-速度曲線圖

圖8 轉(zhuǎn)矩-速度曲線圖

電機(jī)速度隨著預(yù)壓力的增大而上升,但當(dāng)預(yù)壓力大于一定值時(shí),電機(jī)速度隨著預(yù)壓力的增大而下降?？梢?jiàn),預(yù)壓力對(duì)超聲波電機(jī)的輸出特性有較大的影響。每一種超聲波電機(jī)的最高輸出速度對(duì)應(yīng)不同的預(yù)壓力最佳值。

2.4 力矩-速度特性

圖8所示的是電機(jī)樣機(jī)在激勵(lì)頻率為 25. 82KHz,電源輸入電壓為12V,預(yù)壓力為4.9N的情況下電機(jī)樣機(jī)輸出力矩與速度之間的關(guān)系曲線。從圖8可看出,當(dāng)電機(jī)樣機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩增大時(shí)速度減小,直至速度為零得到上述輸入狀態(tài)下的堵轉(zhuǎn)力矩為49.8N·mm?？蛰d的時(shí)候電機(jī)的速度最大,電機(jī)工作的時(shí)候可以計(jì)算出摩擦力f=μN(yùn)=0.403×4.9= 1.97N,其中μ為滑動(dòng)摩擦因數(shù),其大小與材料、表面粗糙度、壓力及對(duì)滑動(dòng)速度有關(guān)?？梢?jiàn)該類型電機(jī)可以輸出比較大的轉(zhuǎn)矩。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

超聲波電機(jī)的性能既受到內(nèi)部因素,如本身結(jié)構(gòu)、材料等方面制約,同時(shí)也與外部因素如環(huán)境溫度、負(fù)載情況、激勵(lì)控制密切相關(guān)。本文測(cè)試實(shí)驗(yàn)探討了幾個(gè)輸入?yún)?shù)（激勵(lì)頻率、驅(qū)動(dòng)電壓、預(yù)壓力等）對(duì)電機(jī)輸出性能的影響。

3.1 激勵(lì)頻率分析

由圖5中可以看出,在驅(qū)動(dòng)電源信號(hào)的激勵(lì)頻率由小到大變化的過(guò)程中,超聲波電機(jī)的輸出速度近似成正態(tài)分布的規(guī)律。超聲波電機(jī)速度的最大值對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的共振頻率處;偏離共振頻率時(shí),縱振動(dòng)幅值減小,從而使超聲波電機(jī)輸出速度降低。驅(qū)動(dòng)電源的激勵(lì)頻率越接近諧振頻率,速度越快,當(dāng)達(dá)到共振頻率時(shí),速度最大。從頻率關(guān)系曲線圖可以看出,隨著頻率的變化,超聲波電機(jī)的速度變化比較明顯,這表明利用頻率調(diào)節(jié)超聲波電機(jī)的速度的可調(diào)范圍較小,約為1KHz范圍內(nèi)。

3.2 驅(qū)動(dòng)電壓分析

從電壓-速度特性曲線可以看出隨著輸入電壓的增加,輸出的速度也隨之增大,輸出的速度隨電壓值呈現(xiàn)近似線性變化關(guān)系,這是由于電壓增大,壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)增強(qiáng),振動(dòng)幅值增大,但壓電陶瓷片的耐壓一定的限度,同時(shí)電源的變壓器也有一定的電壓上限,所以電壓變化有一個(gè)允許的范圍。由圖5中可以看到,在一定的范圍內(nèi),控制驅(qū)動(dòng)電壓可以近似線性地控制電機(jī)的速度。

3.3 預(yù)壓力分析

超聲波電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間所加預(yù)壓力的大小直接影響到超聲波電機(jī)的運(yùn)行性能和輸出特性。當(dāng)預(yù)壓力太大時(shí),電機(jī)不能正常啟動(dòng);預(yù)壓力太小,定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦力較小,達(dá)不到電機(jī)理想的輸出效果。預(yù)壓力分布的不均勻會(huì)使摩擦界面的接觸情況隨時(shí)間變化,產(chǎn)生較大的顫振和噪聲,造成輸出速度和力矩的不理想。在保證輸入電壓、驅(qū)動(dòng)頻率不變的條件下,不同的預(yù)壓力有不同的輸出速度,輸出速度隨預(yù)壓力變化存在一個(gè)最大值。另外,預(yù)壓力越大,所需的驅(qū)動(dòng)電壓值也越大,輸出的速度才能增大。預(yù)壓力和電壓這兩種因素相互之間是有影響的。通過(guò)調(diào)整使兩因素達(dá)到最合理的匹配,可以獲得較好的輸出特性。

綜合上述分析可知,預(yù)壓力存在一個(gè)最佳范圍,要使超聲波電機(jī)高效、穩(wěn)定工作,需要合理調(diào)節(jié)所施加的預(yù)壓力值,預(yù)壓力的最優(yōu)值在超聲波電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予充分的重視。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在研究了縱-彎模式超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)縱-彎復(fù)合模式直線型超聲波電機(jī)的樣機(jī),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試,繪制了在一定的預(yù)壓力、預(yù)緊力和驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)候激勵(lì)頻率與速度的關(guān)系曲線,在一定的預(yù)緊力、預(yù)壓力和激勵(lì)頻率下驅(qū)動(dòng)電壓與速度的關(guān)系曲線以及預(yù)緊力、激勵(lì)頻率和驅(qū)動(dòng)電壓一定情況下預(yù)壓力與速度的關(guān)系曲線,并對(duì)產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了理論分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種新型結(jié)構(gòu)電機(jī)充分體現(xiàn)了超聲波電機(jī)良好的性能特點(diǎn),特別是能輸出較大的轉(zhuǎn)矩,具有實(shí)際的應(yīng)用前景。

[1]彭海軍,王德石,杜貽群.壓電超聲微馬達(dá)的研究新進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009,6（6）:109-111.

[2]陳強(qiáng),胡敏強(qiáng),金龍,等.彎縱復(fù)合大推力直線超聲波電機(jī)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2007,22（11）:35-40.

[3]原林.縱-彎振動(dòng)換能器共振特性及有限元仿真[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2008,11（6）:38-42.

[4]王時(shí)英,呂明,軋剛.圓錐過(guò)渡復(fù)合變幅桿動(dòng)力學(xué)特性研究[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,38（2）:95-97.

[5]姚志遠(yuǎn),楊東,趙淳生.桿結(jié)構(gòu)直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功率流分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2009,29（24）:56 -60.

Research on Linear Ultrasonic Motor Using Longitudinal-Flexural Modes

WENG Zhi-gang

（Mechanical and Electronic Engineering Department,West Anhui University,L u’an237012,China）

The paper studied the driven mechanism longitudinal-bending mode ultrasonic motor,designed a longitudinal-bend complex model linear ultrasonic motors,and conducted laboratory tests have drawn a certain pre-pressure,preload,and drive voltage when the excitation frequency and the velocity curve,in a certain preload,pre-stress and motivate frequency drive voltage and speed curves as well as the preload force,excitation frequency and driving voltage under certain circumstances,the pre-pressure and velocity curve and the experimental results were analyzed,the results show that the new structure fully reflects the motor performance characteristics of ultrasonic motor,especially the larger torque can be output,there is experimental application prospects.

ultrasonic motor;linear;longitudinal-flexural

TM356

A

1009-9735（2010）02-0079-04

2009-12-11

翁志剛（1984-）男,安徽六安人,皖西學(xué)院機(jī)電與工程系教師,碩士,研究方向:機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。