直線超聲波電動(dòng)機(jī)定子和夾持元件的一體化設(shè)計(jì)

胡 寧，姚志遠(yuǎn)，耿冉冉，葉 明

(南京航空航天大學(xué)，江蘇南京210016)

0引 言

直線超聲波電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量推力比大、直接驅(qū)動(dòng)、動(dòng)子慣性小、響應(yīng)快、斷電自鎖、可控性好和定位精度高等特點(diǎn)，它在精密驅(qū)動(dòng)、航空航天和武器裝備等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景［1］。

直線超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先受到關(guān)注。1983年，指田年生提出了兩種行波型直線超聲波電動(dòng)機(jī)［2］。1998年，Kurosawa等人研制了一種駐波型直線超聲波電動(dòng)機(jī)［3］。該電機(jī)最大輸出力達(dá) 51 N，最大速度為 3．5 m/s。2004年，T．Hemsel，J．Wallaschek等人研制出了一款新型的基于面內(nèi)振動(dòng)的直線電動(dòng)機(jī)［4］，該電機(jī)也有良好的輸出特性。

隨著對(duì)直線超聲波電動(dòng)機(jī)運(yùn)行機(jī)理的理解和定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的完善，直線超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出力和速度進(jìn)一步提高。下一步的研究重點(diǎn)是如何提高電機(jī)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、運(yùn)行平穩(wěn)性和運(yùn)行效率，以便提高電機(jī)的控制精度。

V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)是典型的利用蘭杰文振子設(shè)計(jì)的直線超聲波電動(dòng)機(jī)。由于該振子利用了連續(xù)變幅桿和壓電陶瓷的d33效應(yīng)，因此具有好的輸出特性，受到關(guān)注。但是，該電機(jī)是由驅(qū)動(dòng)足、壓電陶瓷片、配重塊和夾持件元件組成，它通過施加預(yù)緊力把這些配件組裝起來的。各配件的加工誤差和定子的裝配誤差使得裝配后定子的振動(dòng)特性不一致，影響電機(jī)運(yùn)行的運(yùn)行效率和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。

本文研究提出利用柔性鉸鏈代替彈簧提供預(yù)壓力，并將通過把驅(qū)動(dòng)足、定子配重塊和柔性鉸鏈夾持元件設(shè)計(jì)為一整體，利用貼片的方式粘貼壓電陶瓷片。該設(shè)計(jì)方式將消除加工誤差和定子的裝配誤差對(duì)振動(dòng)特性的影響，提高超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。

1電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)由配重塊、驅(qū)動(dòng)足、夾持件、陶瓷片、電極片和內(nèi)六角螺栓組成。驅(qū)動(dòng)足的端面有螺紋孔，用于旋入螺栓。它將驅(qū)動(dòng)足、配重塊、電極片、陶瓷片和夾持元件裝配為一體，構(gòu)成直線超聲波電動(dòng)機(jī)定子。上述裝配過程需要施加足夠大的預(yù)緊力。受施加預(yù)緊力的方式限制，定子的2個(gè)蘭杰文振子的預(yù)緊力存在偏差，導(dǎo)致定子的兩相振動(dòng)模態(tài)不一致。

夾持元件有直徑為4 mm的孔(在定子的結(jié)構(gòu)對(duì)稱軸上)，通過孔穿在滑動(dòng)螺栓上，用于夾持定子結(jié)構(gòu)。在滑動(dòng)螺栓上有彈簧元件，用于施加預(yù)壓力。圖1是V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的樣機(jī)。在上述夾持方式中，夾持點(diǎn)僅有這一個(gè)點(diǎn)，使得定子的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差。另外，通過彈簧施加預(yù)壓力，必然在夾持元件和滑動(dòng)螺栓之間存在間隙，導(dǎo)致定子振動(dòng)的非線性。

圖1 V型直線超聲波電動(dòng)機(jī)的樣機(jī)

為了使提高定子結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的一致性，改善定子結(jié)構(gòu)夾持的穩(wěn)定性，消除非線性振動(dòng)邊界，本文提出將驅(qū)動(dòng)足、配重塊和支持元件設(shè)計(jì)為一體，通過線切割一次加工完成。一體化加工的定子結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 壓電陶瓷片的極化布置方案

所設(shè)計(jì)定子兩個(gè)面上分別黏貼4片壓電陶瓷片。壓電陶瓷片在其厚度方向極化，其極化方向由黏貼面直線定子的內(nèi)部。每個(gè)蘭杰文振子上有4片壓電陶瓷片，它們分別構(gòu)成電機(jī)的A、B兩相。

圖3 壓電陶瓷布局及施加電壓

A、B 兩相分別施加 sin ωt和 cos ωt信號(hào)。經(jīng)電場(chǎng)的作用，定子激發(fā)出對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)。在對(duì)稱和反對(duì)稱模態(tài)響應(yīng)的作用下，在驅(qū)動(dòng)足處形成橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。

2定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2．1定子的振動(dòng)模態(tài)

利用有限元法建立電機(jī)定子模型并通過調(diào)節(jié)定子尺寸使得對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)頻率一致性更好。計(jì)算中，45#鋼部分采用solid45單元，壓電陶瓷部分采用solid5單元。劃分網(wǎng)格如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

通過有限元模態(tài)分析，在超聲頻率范圍內(nèi)，找出所需要的對(duì)稱模態(tài)頻率和反對(duì)稱模態(tài)頻率，如表1所示。

表1 定子模態(tài)頻率對(duì)比

2．2柔性夾持設(shè)計(jì)

柔性夾持的柔性片段設(shè)計(jì)為圓弧形，通過采用不在同心兩個(gè)圓弧，設(shè)計(jì)成柔性圓弧夾持在兩端的厚度(2 mm)大于柔性圓弧夾持中部厚度(0．7 mm)，保證柔性夾持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度同時(shí)保證其彈性作用。運(yùn)用有限元分析其彈性系數(shù)k=156 N/mm?？紤]到定子的振動(dòng)模態(tài)，柔性鉸鏈夾持連接在配重塊的節(jié)面處，減少對(duì)電機(jī)振動(dòng)影響。根據(jù)理論與經(jīng)驗(yàn)，在定子中間用柔性鉸鏈連接在一起，保證定子在受預(yù)壓力時(shí)，兩相定子不會(huì)出現(xiàn)大的變形，同時(shí)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)，保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3實(shí)驗(yàn)研究

3．1定子模態(tài)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)與計(jì)算所得到合適的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)，并加工電機(jī)樣機(jī)，如圖5所示。用Polytec公司的PSV300F-B型高頻掃描激光測(cè)振系統(tǒng)測(cè)試定子振動(dòng)模態(tài)，并與有限元模態(tài)計(jì)算結(jié)果相比較。表1為振動(dòng)模態(tài)頻率實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的結(jié)果。

圖5 所設(shè)計(jì)的直線超聲波電動(dòng)機(jī)樣機(jī)

實(shí)驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果吻合較好。主要原因是超聲波電動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)消除了裝配誤差，整個(gè)電機(jī)定子為一體結(jié)構(gòu)，使得定子模態(tài)參數(shù)更接近于理論值，也使得各個(gè)電機(jī)定子之間模態(tài)頻率相差很小，有利于超聲波電動(dòng)機(jī)的批量生產(chǎn)。同時(shí)掃頻試驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)消除了電機(jī)定子兩相干擾模態(tài)，使得電機(jī)模態(tài)掃頻只存在一個(gè)波峰。

圖6是一體化設(shè)計(jì)的電機(jī)定子的兩相模態(tài)掃頻圖，從圖7是原V型電機(jī)定子的兩相模態(tài)掃頻圖。圖6、圖7中可以看出:相比較于傳統(tǒng)電機(jī)，一體化電機(jī)兩相模態(tài)頻率比較純，沒有干擾模態(tài)頻率，兩相頻率一致;但是工作頻率更高，工作頻帶更窄。

3．2機(jī)械輸出特性

圖8表明，電機(jī)的最佳工作頻率為51．4 kHz，但是它的工作頻帶較窄，不利于速度調(diào)節(jié)。圖9是電機(jī)速度隨相位差的關(guān)系曲線，它表明電機(jī)在相位差為90°時(shí)，其運(yùn)行效果最好，同時(shí)在25°～140°的相位差范圍內(nèi)均可工作。圖10是電機(jī)空載速度隨激勵(lì)電壓的變化規(guī)律。它表明電機(jī)速度隨電壓呈線性增加。它說明了電壓越大，電機(jī)獲得能量越大，電機(jī)運(yùn)行速度便會(huì)加大。

圖8 電機(jī)速度頻率特性

圖9 電機(jī)速度相位差特性

圖10 電機(jī)速度電壓特性

經(jīng)測(cè)試，預(yù)壓力為40 N，驅(qū)動(dòng)電壓200 V時(shí)，電機(jī)最大輸出力15 N，空載速度為471 mm/s，定子質(zhì)量為125 g，推重比達(dá)12。

4結(jié) 語

針對(duì)V形直線超聲波電動(dòng)機(jī)因裝配誤差導(dǎo)致的兩相頻率不一致的問題，本文提出超聲波電動(dòng)機(jī)定子和夾持元件一體化設(shè)計(jì)的方法。通過有限元分析，設(shè)計(jì)出具有柔性夾持元件的定子，該定子和夾持元件構(gòu)成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，并通過線切割一次加工而成。

研制了具有柔性夾持的直線超聲波電動(dòng)機(jī)樣機(jī)，并開展了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)方法消除了V形直線超聲波電動(dòng)機(jī)因加工裝配導(dǎo)致的兩相頻率不一致的問題，并確保定子兩相模態(tài)頻率一致性。

在200 V電壓下，該電機(jī)最大輸出力為15 N，最大空載速度達(dá)到471 mm/s，推重比為12。它表明一化設(shè)計(jì)方法能夠用于電機(jī)設(shè)計(jì)，它減少了加工裝配程序，保證定子兩項(xiàng)模態(tài)頻率的一致性，更有利于批量生產(chǎn)。

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