圓環(huán)定子駐波型步進(jìn)超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)

姜曉玉,洪尚任,王國(guó)炎

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021)

圓環(huán)定子駐波型步進(jìn)超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)

姜曉玉,洪尚任,王國(guó)炎

(華僑大學(xué)機(jī)電及自動(dòng)化學(xué)院,福建泉州 362021)

設(shè)計(jì)一種可調(diào)步距的圓環(huán)定子駐波型步進(jìn)超聲波電機(jī),樣機(jī)的工作頻率為36.3 kHz,空載轉(zhuǎn)速為10 r·min-1,在一個(gè)周期的激勵(lì)信號(hào)作用下,電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為0.001 65°.利用ANSYS軟件,對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)樣機(jī)的圓環(huán)定子進(jìn)行仿真分析,研究激勵(lì)頻率、輸入電壓和預(yù)壓力對(duì)轉(zhuǎn)速的影響.結(jié)果表明:電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著激勵(lì)頻率的增加先增加后減小,當(dāng)激勵(lì)頻率為36.3 kHz,達(dá)到振動(dòng)體振幅的最大值;電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著輸入電壓的增大先增大,當(dāng)輸入電壓達(dá)到7 V時(shí),對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速為10 r·min-1;電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著預(yù)壓力的增加先增大,當(dāng)?shù)竭_(dá)最佳預(yù)壓力2.7 N時(shí),繼續(xù)增大預(yù)壓力電機(jī),轉(zhuǎn)速反而降低.

超聲波電機(jī);圓環(huán)定子;步進(jìn);驅(qū)動(dòng)電源;駐波型

與傳統(tǒng)電磁步進(jìn)電機(jī)相比,步進(jìn)超聲波電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易微型化、無(wú)電磁干擾、易控制、步進(jìn)精確、斷電自鎖、快速響應(yīng)和環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等特征[1],在光學(xué)儀器、機(jī)器人、軍事設(shè)施、醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用前景廣泛[2].按使用的波形分類,可分為行波型步進(jìn)超聲波電機(jī)和駐波型步進(jìn)超聲波電機(jī);以步距為特征,則可分為可調(diào)步距型步進(jìn)超聲波電機(jī)、定步距型步進(jìn)超聲波電機(jī)和納米步距型步進(jìn)超聲波電機(jī).可調(diào)步距型步進(jìn)超聲波電機(jī)是通過驅(qū)動(dòng)電源的通斷,使超聲波電機(jī)產(chǎn)生起停而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)動(dòng),并通過輸入電源的脈寬來(lái)控制步距的.本文設(shè)計(jì)出一種圓環(huán)定子駐波型的可調(diào)步距型步進(jìn)超聲電機(jī).

1 超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圓環(huán)定子駐波型超聲波電機(jī)實(shí)物,如圖1所示.

1.1 圓環(huán)定子

圓環(huán)定子采用B(0,4)振型作為工作振型[3].由振動(dòng)理論可導(dǎo)出圓板的振型駐波,圓板的自由振動(dòng)微分方程為

圖1 圓環(huán)定子駐波型超聲波電機(jī)Fig.1 Circle stato r of standing wave type ultrasonic mo to r

經(jīng)計(jì)算并修正后,可以得到定子的幾何尺寸:內(nèi)徑為4.5 mm,外徑為20 mm,厚度為5 mm,定子齒的尺寸為3 mm×5 mm×3 mm,均勻間隔設(shè)計(jì)在圓環(huán)的中間部位.彈性體整體材料采用45號(hào)鋼,楊氏彈性模量為217 GPa,泊松比為0.33,密度為7 800 kg·m-3.

1.2 壓電陶瓷

設(shè)計(jì)壓電陶瓷振子時(shí),諧振頻率即是工作頻率.通常根據(jù)需要的工作頻率來(lái)設(shè)計(jì)壓電陶瓷的尺寸.選用PZT-8壓電材料做的壓電陶瓷圓環(huán)作為駐波超聲波電機(jī)的壓電片,其主要參數(shù):自由介電常數(shù)ε33為1 000,損耗角正切tgδ≤0.3%,頻率常數(shù)Nt為2 000 Hz·m,相對(duì)介電系數(shù)Kt為64%,壓電常數(shù)d33為225 pm·V-1,電學(xué)品質(zhì)因數(shù)Qm為1 200.

根據(jù)定子尺寸取壓電陶瓷片的尺寸:內(nèi)徑為10 mm,外徑為34 mm.壓電陶瓷片沿厚度方向進(jìn)行極化,并產(chǎn)生厚度方向的振動(dòng).對(duì)于沿厚度方向振動(dòng)的壓電振子來(lái)說,厚度尺寸應(yīng)遠(yuǎn)小于直徑的大小(小于1/10),取陶瓷片厚度為2 mm.

1.3 步進(jìn)角

可調(diào)步距型步進(jìn)超聲電機(jī)是在駐波超聲波電機(jī)的基礎(chǔ)上,通過驅(qū)動(dòng)電源的通和斷來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)按所設(shè)計(jì)的步距角來(lái)產(chǎn)生步進(jìn)運(yùn)動(dòng),通過軟件延時(shí)的方法來(lái)控制每一步的驅(qū)動(dòng)時(shí)間.其中,電機(jī)定子振動(dòng)包括起始強(qiáng)迫振動(dòng)、穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)和自由振動(dòng)衰減3個(gè)階段.由于定子的阻尼比較小,所以起始強(qiáng)迫振動(dòng)和衰減強(qiáng)迫振動(dòng)兩階段的耗時(shí)短.

取超聲波電機(jī)定子強(qiáng)迫振動(dòng)起始時(shí)間為1.35 m s,定子穩(wěn)態(tài)強(qiáng)迫振動(dòng)時(shí)間應(yīng)遠(yuǎn)大于強(qiáng)迫振動(dòng)起始時(shí)間(取大于10倍的時(shí)間),則最短通電時(shí)間應(yīng)為14.85 m s(取整為15 m s).由轉(zhuǎn)速-頻率實(shí)驗(yàn)可知,在一個(gè)周期的激勵(lì)信號(hào)作用下,電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度約為0.001 65°.

1.4 膠粘劑[4]

超聲波電機(jī)的主要部件采用粘接結(jié)構(gòu).膠粘劑要滿足高強(qiáng)度、無(wú)內(nèi)應(yīng)力、疲勞極限高,不明顯影響振動(dòng)體及體系的固有振動(dòng)頻率,能量可有效傳遞,噪聲小等條件.因此,考慮采用502膠水將壓電陶瓷粘接在定子的背面.

1.5 其他部件

下端蓋主要用來(lái)固定軸和支撐定子.轉(zhuǎn)子上設(shè)計(jì)有臺(tái)階結(jié)構(gòu),便于固定上面的推力球軸承.軸通過花鍵與轉(zhuǎn)子聯(lián)結(jié),轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn).此電機(jī)的預(yù)壓力通過彈簧的彈性形變提供,調(diào)整螺母的位置來(lái)改變彈簧的壓縮量即可改變預(yù)壓力大小.

2 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

利用ANSYS軟件,對(duì)所設(shè)計(jì)的電機(jī)樣機(jī)的圓環(huán)定子進(jìn)行仿真分析,研究激勵(lì)頻率(f)、輸入電壓(U)和預(yù)壓力(P)對(duì)轉(zhuǎn)速(n)的影響,結(jié)果如圖2所示.在實(shí)驗(yàn)過程中,某一參數(shù)變化時(shí),假定其他參數(shù)(預(yù)壓力為2.7 N,直流電壓為7 V,激勵(lì)頻率為36.3 k Hz)不變[5].

圖2 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Simulation result

從圖2(a)可知,電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著激勵(lì)頻率的增加先增加后減小,最高轉(zhuǎn)速為10 r·min-1,對(duì)應(yīng)激勵(lì)頻率為36.3 k Hz,達(dá)到振動(dòng)體振幅的最大值,即電機(jī)的諧振頻率為36.3 k Hz.在激勵(lì)頻率為36 k Hz和36.6 k Hz時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)速為零,表示駐波超聲波電機(jī)的工作頻率可調(diào)范圍較小.為了精確選擇電機(jī)的最佳工作頻率,超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)應(yīng)有較高的頻率分辨率,便于微調(diào)激勵(lì)頻率.

從圖2(b)可知,電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著輸入電壓的增大先一直增大,當(dāng)電壓達(dá)到7 V時(shí),對(duì)應(yīng)最大轉(zhuǎn)速為10 r·min-1;繼續(xù)增大輸入電壓對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響已不大.這是因?yàn)樽畛鯄弘娞沾傻哪鎵弘娦?yīng)會(huì)隨著外加電壓的增大而逐漸增強(qiáng),但當(dāng)電壓增大到一定值,逆壓電效應(yīng)也相應(yīng)增加到最大,即振動(dòng)體的振幅增到最大程度.當(dāng)電壓再繼續(xù)增大,壓電逆效應(yīng)已趨于飽和,也就是振幅不會(huì)再繼續(xù)增大.所以電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值后,輸入電壓的增大對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速影響不大.

從圖2(c)可知,電機(jī)的轉(zhuǎn)速會(huì)隨著預(yù)壓力的增加先增大;當(dāng)?shù)竭_(dá)最佳預(yù)壓力時(shí),繼續(xù)增大預(yù)壓力,電機(jī)轉(zhuǎn)速反而降低.分析表明,當(dāng)預(yù)壓力較小時(shí),定子和轉(zhuǎn)子主要在定子波峰點(diǎn)接觸,接觸區(qū)域內(nèi)也全是驅(qū)動(dòng)區(qū).隨著預(yù)壓力增大,定子和轉(zhuǎn)子間的接觸范圍開始增大,驅(qū)動(dòng)區(qū)越來(lái)越大,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速逐漸提高.當(dāng)預(yù)壓力增大到一定程度時(shí),定子與轉(zhuǎn)子的接觸范圍已經(jīng)增大到超過了等速點(diǎn),而定子在等速點(diǎn)以外的表面質(zhì)點(diǎn)的周向速度小于轉(zhuǎn)子.此時(shí),一方面接觸區(qū)域開始出現(xiàn)阻礙轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的阻止區(qū);另一方面定子和轉(zhuǎn)子的徑向滑動(dòng)最劇烈的地方已經(jīng)處于接觸區(qū)域內(nèi).繼續(xù)增加預(yù)壓力,阻礙運(yùn)動(dòng)區(qū)的比例開始變大,包含進(jìn)更多徑向滑動(dòng)比較劇烈的區(qū)域,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速逐漸降低.

3 結(jié)論

進(jìn)一步的理論分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試,可以得到如下4點(diǎn)結(jié)論.

(1)采用周向點(diǎn)固支的固支模式,可使固支點(diǎn)的分布與定子齒錯(cuò)開,減少對(duì)定子齒處振幅的影響.

(2)用驅(qū)動(dòng)電源有規(guī)律導(dǎo)通與關(guān)斷的方法來(lái)對(duì)超聲波電機(jī)進(jìn)行控制,將超聲波電機(jī)的非線性和不確定性轉(zhuǎn)換成一定數(shù)量的脈沖信號(hào)與電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角度的線性關(guān)系.

(3)通過對(duì)電機(jī)掃頻后可知,定子上的齒對(duì)諧振頻率也有影響.因此,應(yīng)對(duì)定子齒進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),從而減少誤差.

(4)該電機(jī)定位準(zhǔn)確、響應(yīng)快、控制方便,且不受通電時(shí)間的影響,對(duì)其進(jìn)一步研究是很有必要的.

[1]金家楣,趙淳生.雙模態(tài)切換式步進(jìn)超聲電機(jī)[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2006.

[2]趙淳生.21世紀(jì)超聲電機(jī)技術(shù)展望[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2003,20(1):7-12.

[3]胡敏強(qiáng),徐志科,金龍等.超聲波電機(jī)振動(dòng)模態(tài)有限元分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2002,22(11):92-96.

[4]李寶庫(kù).超聲波電機(jī)用膠粘劑的拓展研究[J].微特電機(jī),2000,28(1):43-44.

[5]王國(guó)焱.圓環(huán)定子駐波型超聲波電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì)[D].泉州:華僑大學(xué),2007.

(責(zé)任編輯:陳志賢英文審校:崔長(zhǎng)彩)

Design on Standing Wave Type Ultrason ic M otor with Circle Stator

JIANG Xiao-yu,HONG Shang-ren,WANG Guo-yan
(College of Mechanical Engineering and Automation,Huaqiao University,Quanzhou 362021,China)

An adjustable step-length stepping ultrasonic mo to r is designed in this paper.The working frequency of the pro to type is 36.3 k Hz,the no-load speed is 10 r·min-1,and the turning angle of stator is 0.001 65°in a periodic excitation signal.Using ANSYS software,the simulation analysis to the circle stator of the prototype is realized,is made and the influence on speed from excitation frequency,input voltage and pre-pressure are studied.The results show that mo to r speed will increase first and then decrease as the excitation frequency increased and w hen the excitation frequency is 36.3 k Hz,it will achieve the maximum amplitude of the vibration body;mo tor speed will increase first as the input voltage increases,w hen the input voltage is 7 V,the corresponding maximum speed is10 r·min-1;motor speed will increase first with the pre-pressure increases,w hen the pressure reaches 2.7 N but the pressure to increase motor speed will decrease as the pre-pressure continue to increas.

ultrasonic motor;circle stator;stepping;driven power;standing wave

TM 383.602

A

1000-5013(2011)03-0263-03

2010-01-19

洪尚任(1944-),男,教授,主要從事機(jī)電系統(tǒng)及超聲波電機(jī)的研究.E-mail:srhong@hqu.edu.cn.

國(guó)務(wù)院僑辦科研基金資助項(xiàng)目(04QZR10)