行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機兩種組合方式的實驗研究

尹育聰 姚志遠 趙淳生

南京航空航天大學，南京，210016

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機兩種組合方式的實驗研究

尹育聰 姚志遠 趙淳生

南京航空航天大學，南京，210016

為了進一步提高超聲電機的輸出性能，設(shè)計并實現(xiàn)了兩種組合結(jié)構(gòu)的行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機（TRUSM）——雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并依據(jù)結(jié)構(gòu)特征，定性分析了定轉(zhuǎn)子接觸狀態(tài)對兩種組合方式輸出性能的影響。參照單定轉(zhuǎn)子TRUSM，用對比實驗檢驗了兩種組合結(jié)構(gòu)TRUSM的特點。實驗結(jié)果表明，組合結(jié)構(gòu)是大幅度提高TRUSM輸出性能的一種有效方法，而且組合結(jié)構(gòu)中的定轉(zhuǎn)子接觸狀態(tài)對輸出性能意義重大。

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機；組合結(jié)構(gòu)；大轉(zhuǎn)矩；高能量密度

0 引言

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機（TRUSM）具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計靈活、功率體積比大、低速大轉(zhuǎn)矩、響應快、位移分辨率高、無磁場干擾、低噪聲運行、可在極端環(huán)境下工作等優(yōu)點，正逐漸應用于機器人、精密儀器儀表、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域［1－3］。目前，為了進一步適應輸出轉(zhuǎn)矩大但結(jié)構(gòu)尺寸小的應用要求，設(shè)計組合結(jié)構(gòu)的TRUSM是一種較方便的方法。

TRUSM的運行原理是利用定轉(zhuǎn)子間的動態(tài)接觸摩擦，將定子振動體接觸面上的超聲頻率微米級振幅的周向行波轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的宏觀回轉(zhuǎn)運動，因此在組合TRUSM時，定轉(zhuǎn)子間動態(tài)接觸摩擦對電機的最終輸出性能影響很大［4］。目前，國內(nèi)外學者主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度提出過幾種組合結(jié)構(gòu)的TRUSM［5－8］，但均未明確報道電機輸出性能的情況。為此，本文根據(jù)目前TRUSM的兩種主要定轉(zhuǎn)子接觸方式——剛性轉(zhuǎn)子接觸和柔性轉(zhuǎn)子接觸，提出了兩種切實可行的TRUSM組合方案——雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM和雙定轉(zhuǎn)子TRUSM，制作出原理樣機并測試了樣機的輸出性能，并比較了這兩種TRUSM組合方案的優(yōu)缺點。

1 雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM

雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是TRUSM最簡單的一種組合形式，它采用結(jié)構(gòu)完全相同的兩個定子，上下對置夾住中間單個轉(zhuǎn)子，通過與中間轉(zhuǎn)子相連的轉(zhuǎn)軸輸出機械能。雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸狀態(tài)如圖1所示，由于受到兩個定子上下對稱的作用力，圓板狀中間轉(zhuǎn)子的腹板不存在彎曲變形，而轉(zhuǎn)子與存在周向行波定子之間的接觸面并不是平面，在電機運行時，定轉(zhuǎn)子間的實際接觸面積下降很大，從而較大地制約了電機的輸出性能。此外，雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM需要額外的壓簧使定轉(zhuǎn)子間保持一定的預壓力。

圖1 雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸示意圖

國內(nèi)外學者曾提出過雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM的具體設(shè)計方案［6－7］，但并未報道電機的實際輸出性能。為此，本文設(shè)計并實現(xiàn)了如圖2所示的雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM，采用向心定位塊固定碟形彈簧的徑向位置，以保證碟形彈簧所產(chǎn)生的預壓力能夠均勻地施加在定轉(zhuǎn)子之間，同時，在內(nèi)部定子座上均布有周向定位片，從而消除了上定子在驅(qū)動轉(zhuǎn)子時出現(xiàn)周向反轉(zhuǎn)的可能。

圖2 雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM

與采用剛性轉(zhuǎn)子的單定轉(zhuǎn)子TRUSM相比，雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM完全忽略了轉(zhuǎn)子與定子間的變形匹配，機電轉(zhuǎn)換效果較差。圖3是采用剛性轉(zhuǎn)子TRUSM的定轉(zhuǎn)子接觸示意圖，剛性轉(zhuǎn)子TRUSM通過剛性轉(zhuǎn)子上的壓簧變形，使定子、轉(zhuǎn)子之間保持了一定的預壓力，但由于剛性轉(zhuǎn)子的腹板存在一定的彎曲變形，電機運行時定子和轉(zhuǎn)子間的動態(tài)接觸面積有所提高，從而部分改善了電機的輸出性能。

圖3 剛性轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸示意圖

2 雙定轉(zhuǎn)子TRUSM

雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是TRUSM最直接的一種組合形式，其基本形式是采用相同尺寸結(jié)構(gòu)的兩組定轉(zhuǎn)子，一個定子與一個轉(zhuǎn)子構(gòu)成一組驅(qū)動源，另一個定子與另一個轉(zhuǎn)子構(gòu)成另一組驅(qū)動源，兩組驅(qū)動源通過與兩個轉(zhuǎn)子連接的公共轉(zhuǎn)軸輸出機械能。一些學者曾提出雙定轉(zhuǎn)子TRUSM的設(shè)計方案［5，8］，這些方案意在充分利用較為成熟的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸驅(qū)動特性，然而實驗結(jié)果并不理想。

為解決上述組合方案中所存在的問題，本文提出從結(jié)構(gòu)上抑制兩個定子在行波驅(qū)動轉(zhuǎn)子過程中存在的軸向振動耦合，旨在消除組合結(jié)構(gòu)中的非線性疊加因素，具體設(shè)計了一種階梯軸結(jié)構(gòu)的復合夾持機構(gòu)，如圖4所示。這種復合夾持機構(gòu)的功能元件可分為如下兩部分：①由下定子基座和上定子基座固定于筒狀外殼的兩端面而構(gòu)成的外部固定結(jié)構(gòu)，用以固定TRUSM的兩個定子；②通過下定子基座內(nèi)的下止推軸承和上定子基座內(nèi)的上止推軸承共同限定階梯軸的軸向位置而形成的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，對安裝在轉(zhuǎn)軸上的兩個轉(zhuǎn)子施加了軸向約束，從而隔離了兩組定轉(zhuǎn)子間的振動能量傳遞，保證了雙定轉(zhuǎn)子TRUSM運轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

圖4 階梯軸結(jié)構(gòu)的復合夾持機構(gòu)

圖5示出了雙定轉(zhuǎn)子TRUSM的完整結(jié)構(gòu)，兩組定轉(zhuǎn)子設(shè)置在階梯軸結(jié)構(gòu)的復合夾持機構(gòu)中，兩組定轉(zhuǎn)子間的預壓力可分別通過轉(zhuǎn)子與階梯軸軸環(huán)端面之間的調(diào)整墊片來調(diào)節(jié)。

圖5 雙定轉(zhuǎn)子TRUSM

本文所提出的雙定轉(zhuǎn)子TRUSM的轉(zhuǎn)子是柔性的，與單定轉(zhuǎn)子TRUSM的柔性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同，轉(zhuǎn)子腹板厚度很小，轉(zhuǎn)子較為柔軟，這樣，一方面，直接通過轉(zhuǎn)子的變形來提供定子、轉(zhuǎn)子之間的穩(wěn)定預壓力，將預壓力機構(gòu)集成到柔性轉(zhuǎn)子上，簡化了電機的結(jié)構(gòu)；另一方面，在電機運行時，柔性轉(zhuǎn)子可以隨存在周向行波的定子變形而有些變形，增大了TRUSM運行時定轉(zhuǎn)子的實際接觸面積，從而提高了電機輸出性能。圖6是柔性轉(zhuǎn)子TRUSM 的接觸示意圖［9］。

該雙定轉(zhuǎn)子TRUSM在結(jié)構(gòu)上完全保留了柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的驅(qū)動特性，理論上可將柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的輸出性能提高一倍，由于雙定轉(zhuǎn)子TRUSM的結(jié)構(gòu)更加緊湊，因而其輸出的能量密度將高于柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的能量輸出密度。

圖6 柔性轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸示意圖

3 實例分析

為了檢驗上述結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性和性能分析的正確性，以φ60mm型TRUSM為例，制作了兩種組合結(jié)構(gòu)的TRUSM實驗樣機，如圖7所示。

圖7 兩種組合結(jié)構(gòu)TRUSM的實驗樣機

在對比實驗中，本文參照了已有的兩種單定轉(zhuǎn)子TRUSM，表1為實驗樣機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中樣機1為剛性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM，樣機2為柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM，樣機3為雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM，樣機4為雙定轉(zhuǎn)子TRUSM。從表1可以看出，樣機3由于保留了額外的預壓力機構(gòu)，體積較大，比剛性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機1的體積增大了41%，而樣機4簡化了單定轉(zhuǎn)子TRUSM的圓罩狀外殼結(jié)構(gòu)并省掉了外殼內(nèi)的軸承，使電機結(jié)構(gòu)更加緊湊，其體積僅比柔性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機2的體積增大了27%。此外，在材料選用和加工工藝上，所有樣機的相應零部件均保持一致。

表1 實驗樣機的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

實驗測出了上述四種樣機的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線和轉(zhuǎn)矩－輸出功率曲線，其輸出性能分別如圖8～圖11所示。

表2是四種樣機輸出性能的主要參數(shù)。首先，將剛性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機1與柔性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機2相比較，可以發(fā)現(xiàn)，樣機1除了空載轉(zhuǎn)速以外，最大轉(zhuǎn)矩、最高功率、轉(zhuǎn)矩密度、功率密度等輸出參數(shù)均低于樣機2的相關(guān)參數(shù)，因此，總體上來講，柔性轉(zhuǎn)子接觸方式比剛性轉(zhuǎn)子接觸方式優(yōu)越一些。

圖8 樣機1的實驗結(jié)果

圖9 樣機2的實驗結(jié)果

圖10 樣機3的實驗結(jié)果

圖11 樣機4的實驗結(jié)果

表2 輸出性能的主要參數(shù)

從實驗結(jié)果可以看出，樣機3采用雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與剛性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機1相比，最大轉(zhuǎn)矩提高了62.5%，而空載轉(zhuǎn)速、最高功率分別下降了56.5%、20.8%，由于預壓力機構(gòu)使雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM體積增大較多，樣機3的轉(zhuǎn)矩密度比樣機1的轉(zhuǎn)矩密度僅提高了15%，而功率密度則下降了43.3%。這表明，雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM完全忽略了定轉(zhuǎn)子間的變形匹配，對剛性轉(zhuǎn)子單定轉(zhuǎn)子TRUSM的輸出性能提高不多。

比較雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機4和柔性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機2可知，樣機4除了空載轉(zhuǎn)速略有下降外，最大轉(zhuǎn)矩、最高功率、轉(zhuǎn)矩密度、功率密度均比樣機2的相應參數(shù)分別提高了80%、59.4%、42.2%、25.6%，這表明，本文所提出的雙定轉(zhuǎn)子TRUSM保留了柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的定轉(zhuǎn)子驅(qū)動特性，且結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有明顯的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

（1）TRUSM是一種有著廣泛應用前景的超聲電機，它的研究和試制涉及機械振動和波動、摩擦、材料、電子、超精加工等眾多學科的交叉領(lǐng)域。為了進一步滿足轉(zhuǎn)矩大、尺寸小等要求，TRUSM的結(jié)構(gòu)組合被證明是一種方便而可行的方法。

（2）鑒于超聲電機的發(fā)展時間不長，對于超聲電機在超聲頻率微米級波動下的動態(tài)接觸驅(qū)動機理的建模、優(yōu)化等問題還有待深入研究，本文從定轉(zhuǎn)子間變形匹配的角度分析了組合結(jié)構(gòu)TRUSM輸出性能的優(yōu)劣，并進行了實驗驗證，該研究有助于理解兩種組合結(jié)構(gòu)TRUSM輸出特性的差異。

（3）針對TRUSM的基本組合形式——雙定子單轉(zhuǎn)子和雙定轉(zhuǎn)子，本文提出了兩種切實可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并進行了實驗測試和比較。實驗結(jié)果表明，兩者均能提高TRUSM的輸出轉(zhuǎn)矩，其中雙定轉(zhuǎn)子TRUSM在輸出性能、能量密度等方面均具有明顯的優(yōu)勢，本文的研究結(jié)果為TRUSM的進一步發(fā)展奠定了結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)。

［1］ 趙淳生.超聲電機技術(shù)與應用［M］.北京：科學出版社，2007.

［2］ Ueha S，Tomikawa Y，Kurosawa M，et al.Ultrasonic Motors：Theory and Applications［M］.Oxford：Oxford Science Publication，1993.

［3］ Sashida T，Kenjo T.An Introduction to Ultrasonic Motor［M］.Oxford：Clarendon Press，1993.

［4］ 曾勁松，姚志遠，趙淳生.超聲電機中的非線性現(xiàn)象研究［J］.中國機械工程，2006，10（5）：1047－1051.

［5］ 李華峰，辜承林.大轉(zhuǎn)矩行波型超聲波電機的研制［J］.中國電機工程學報，2002，22（8）：67－70.

［6］ 張鐵民.一種旋轉(zhuǎn)式超聲電機：中國，CN1909355A［P］.2007－02－17.

［7］ Rajagobalan R，Tooru N.A New Method of Improving the Torque of a Travelling Wave Ultrasonic Motor［C］／／Proceedings of the 1999IEEE／ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Atlanta，USA，1999.

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Experimental Study on Two Combinations of Traveling－wave Rotary Ultrasonic Motors

Yin Yucong Yao Zhiyuan Zhao Chunsheng
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016

In order to improve the output performance，two novel TRUSMs（traveling wave rotary ultrasonic motor）with combined structures were designed and implemented.One was the TRUSM with two stators and single rotor，the other was the TRUSM with two stators and two rotors.Based on the structural characteristics，the mechanism that the stator／rotor contact state affected the output performance of these TRUSMs was qualitatively analyzed.In the comparative experiments，it was tested that the TRUSMs with combined structures had incomparable features to the single－statorrotor TRUSMs.Experimental results indicate that the structural combination is an effective way to greatly improve the output performance，and the stator／rotor contact states are very important for the TRUSM performance.

traveling wave rotary ultrasonic motor；combined structure；large torque；high energy density

TM356

1004—132X（2011）01—0084—04

2010—01—14

國家自然科學基金廣東聯(lián)合基金資助重點項目（U0934004）

（編輯 郭 偉）

尹育聰，男，1981年生。南京航空航天大學精密驅(qū)動研究所博士研究生。主要研究方向為超聲電機技術(shù)。發(fā)表論文5篇。姚志遠，男，1961年生。南京航空航天大學精密驅(qū)動研究所副教授。趙淳生，男，1938年生。南京航空航天大學精密驅(qū)動研究所教授、博士研究生導師，中國科學院院士。