斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型縱扭超聲波電動(dòng)機(jī)的研究與實(shí)驗(yàn)

張 輝，洪尚任，胡 丹，喬 木

(華僑大學(xué)，福建泉州362021)

0 引 言

縱扭復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)是超聲波電動(dòng)機(jī)中一個(gè)重要類型，它主要利用定子的縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)復(fù)合來使定子的驅(qū)動(dòng)端面產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)。最早是在1988年，東京工業(yè)大學(xué)的上羽貞行利用層疊型振子沿軸向具有大變形的特點(diǎn)，結(jié)合扭轉(zhuǎn)振子研制成功的縱扭復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)［1］。本文主要是利用模態(tài)轉(zhuǎn)換提出了一種斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型縱扭超聲波電動(dòng)機(jī)，該類電機(jī)與其他超聲波電動(dòng)機(jī)相比，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且僅需單相激勵(lì)，設(shè)計(jì)制作了樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析。

1 驅(qū)動(dòng)原理與電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.1 驅(qū)動(dòng)原理

斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型縱扭超聲波電動(dòng)機(jī)是通過激勵(lì)壓電陶瓷片的厚度振動(dòng)模式產(chǎn)生縱向振動(dòng)。定子示意圖如圖1所示，第一部分表示縱向振動(dòng)夾心式壓電換能器，第二部分為斜槽式傳振桿，當(dāng)縱波傳到斜槽位置時(shí)，由于斜槽的存在使其發(fā)生了轉(zhuǎn)換，并使得斜槽界面后邊的傳振桿產(chǎn)生了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，最后在定子端面合成橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)［2］。

圖1 電機(jī)定子幾何示意圖

在理想狀態(tài)下，把定子展開為平面，斜槽對(duì)縱波σ1的作用如圖2所示，斜槽反射出縱波σ2和橫波τ2。由于兩斜槽平行且距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其波長(zhǎng)，所以縱波σ2與橫波τ2在斜槽間產(chǎn)生疊加。應(yīng)力波的疊加在軸向和圓周方向產(chǎn)生振動(dòng)分量，疊加后的應(yīng)力波傳播至傳振桿的輸出端產(chǎn)生復(fù)合振動(dòng)。圖3表示縱波σ1以入射角α入射，所以反射縱波以反射角α反射。反射橫波以反射角β反射。取一微小段斜槽斜面為自由面，那么入射縱波σ1反射縱波σ2和反射橫波τ2的應(yīng)力狀態(tài)［3］如圖3所示。

圖2 斜槽對(duì)縱波作用示意圖

圖3 縱波反射后的應(yīng)力狀態(tài)示意圖

斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型縱扭超聲波電動(dòng)機(jī)兩個(gè)具有相近頻率的工作模態(tài)在空間和時(shí)間上都具有一定的相位差(在振動(dòng)方向上正交)，使得定子與轉(zhuǎn)子接觸界面上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。

1.2 電機(jī)結(jié)構(gòu)［4－5］

圖4為本文提出的斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型縱扭超聲波電動(dòng)機(jī)的裝配圖。電機(jī)主要有定子、轉(zhuǎn)子、底座和預(yù)緊螺栓等構(gòu)成，其中的定子主要有帶有斜槽的前蓋板、壓電陶瓷片和后蓋板組成。圖5為本文研制的樣機(jī)照片，底座為硬鋁，定子和轉(zhuǎn)子為45號(hào)鋼，使用的壓電陶瓷片是PZT8，其尺寸為外徑20 mm、內(nèi)徑7 mm、厚 度3 mm。壓電陶瓷片為圓環(huán)狀的縱振陶瓷片，它利用壓電陶瓷沿厚度方向的伸縮振動(dòng)模式(TE)來激發(fā)定子的縱振模態(tài)，即利用壓電陶瓷的d33效應(yīng)。

圖4 電機(jī)裝配圖

圖5 電機(jī)樣機(jī)照片

利用ANSYS對(duì)縱扭模式分析，取頻率為40 kHz，分析結(jié)果如圖6和圖7所示，由分析可知扭振頻率為40.918 kHz，縱振頻率為41.934 kHz，頻率差為1.016 kHz，在2 kHz之內(nèi)，兩種振動(dòng)模態(tài)頻率能保持一致性。

圖6 一階縱振模式分析

圖7 二階扭振模式分析

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

圖8為本實(shí)驗(yàn)室的超聲波電動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由示波器、直流電源、超聲波電動(dòng)機(jī)控制器和樣機(jī)構(gòu)成，我們對(duì)電機(jī)的輸出特性進(jìn)行了以下測(cè)試。

圖8 超聲波電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 激勵(lì)頻率與轉(zhuǎn)速特性

在工作電壓為380 V、預(yù)壓力0.44 N的條件下，測(cè)試了電機(jī)的激勵(lì)頻率－轉(zhuǎn)速特性，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的曲線如圖9所示。

圖9 激勵(lì)頻率與轉(zhuǎn)速曲線圖

由上圖可以看出，超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速由零逐漸增加到最大值，再減小到零。超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的最大值對(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，從而使超聲波電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速降低。驅(qū)動(dòng)電源的激勵(lì)頻率越接近諧振頻率，轉(zhuǎn)速越快，當(dāng)達(dá)到共振頻率時(shí)，轉(zhuǎn)速最大。

從頻率關(guān)系曲線圖可看出，隨著頻率變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不是很明顯，這表明利用頻率調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的范圍較廣，約為2 kHz。實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果存在一定的偏差，原因主要有以下幾點(diǎn):(1)縱振子與扭振子的諧振頻率不一致;(2)樣機(jī)材料參數(shù)的實(shí)際值與計(jì)算值有差異;(3)電火花加工斜槽時(shí)，制作工藝粗糙，精度不夠?qū)е屡まD(zhuǎn)模態(tài)轉(zhuǎn)換效率低。

2.2 預(yù)壓力與轉(zhuǎn)速特性

在輸入頻率為40.45 kHz，工作電壓為380 V的條件下，測(cè)試了超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速隨預(yù)壓力的變化曲線，如圖10所示。

圖10 預(yù)壓力與轉(zhuǎn)速曲線圖

超聲波電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子通過一定的預(yù)壓力與定子緊密接觸，才能產(chǎn)生足夠維持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的摩擦力。從圖10可以看出，預(yù)壓力0.44 N時(shí)樣機(jī)的運(yùn)行效果較好。電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值。從實(shí)驗(yàn)曲線圖可以看出預(yù)壓力，變化對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響較大，隨著預(yù)壓力的增加，樣機(jī)的最高轉(zhuǎn)速明顯提高，當(dāng)預(yù)壓力增加到一定值時(shí)，樣機(jī)轉(zhuǎn)速迅速降低。這說明要提高電機(jī)的轉(zhuǎn)速，應(yīng)選擇適合的預(yù)壓力，過大或過小都不利于電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高。因此，預(yù)壓力的最優(yōu)值在電機(jī)的設(shè)計(jì)中應(yīng)給予充分的重視。但由于預(yù)壓力的變化對(duì)電機(jī)內(nèi)部性能的影響太多(如縱、扭諧振頻率的影響)，不適合作為電機(jī)調(diào)速的參數(shù)。

2.3 驅(qū)動(dòng)電壓與轉(zhuǎn)速特性

在給定輸入頻率為40.45 kHz，定轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力為0.44 N時(shí)，超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線圖如圖11所示。

圖11 驅(qū)動(dòng)電壓－轉(zhuǎn)速曲線圖

從圖11中可看出，隨著輸入電壓增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速增大，輸出轉(zhuǎn)速隨電壓變化曲線近似線性關(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。當(dāng)電壓增至一定值時(shí)，振動(dòng)幅值趨于飽和，轉(zhuǎn)速不再有大的變化。但由于驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)的問題，實(shí)驗(yàn)中未能測(cè)得電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的最大輸入電壓，據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓也應(yīng)該存在一個(gè)極值。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于驅(qū)動(dòng)電壓受到壓電陶瓷本身因素的限制，不能太低，電壓太低不易起振，驅(qū)動(dòng)不了電機(jī);驅(qū)動(dòng)電壓也不能太高，否則超過壓電陶瓷的極限電壓時(shí)，介電損耗會(huì)增加，其輸出效率太低，另一方面電壓太高還有可能會(huì)燒壞壓電陶瓷或者驅(qū)動(dòng)電源。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研制出一種斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型縱扭超波聲電動(dòng)機(jī)，分析了驅(qū)動(dòng)原理，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明電機(jī)在工作電壓為380 V、預(yù)壓力為0.44 N、激勵(lì)頻率為40.45 kHz時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為最大轉(zhuǎn)速為15.6 r/min。由于這類電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且單相激勵(lì)，具有良好的實(shí)用前景。

［1］ 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.

［2］ 林書玉.超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2004.

［3］ 皮鈞.圓環(huán)斜槽傳振桿的縱扭振動(dòng)轉(zhuǎn)換［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44(5):242－248.

［4］ 胡丹.斜槽式縱－扭復(fù)合模式超聲電機(jī)的研究與設(shè)計(jì)［D］.華僑大學(xué)，2009.

［5］ Tsujino J，Suzuki R，Takeuchi M.Load characteristics of ultrasonic rotary motor using a longitudinal－torsional vibration converter［J］.Ultrasonics，1996，34:265－269.