中空環(huán)形行波超聲波電機(jī)試驗(yàn)研究與改進(jìn)設(shè)計(jì)*

蔣春容， 張津楊， 董曉霄， 陸旦宏

(1. 南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167； 2. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

中空環(huán)形行波超聲波電機(jī)試驗(yàn)研究與改進(jìn)設(shè)計(jì)*

蔣春容1， 張津楊1， 董曉霄2， 陸旦宏1

(1. 南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇 南京 211167； 2. 東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

設(shè)計(jì)了中空環(huán)形行波超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)，并對(duì)定子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，得到定子工作模態(tài)對(duì)應(yīng)的共振頻率及諧響應(yīng)分析結(jié)果。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸制作了電機(jī)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，得到定子阻抗-頻率特性、定子在外加電壓作用下的振動(dòng)響應(yīng)和電機(jī)的輸出性能。針對(duì)所設(shè)計(jì)的中空超聲波電機(jī)輸出性能不理想的問(wèn)題，對(duì)定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和支撐方式進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)以改善電機(jī)性能。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的電機(jī)克服了原有樣機(jī)存在的問(wèn)題，輸出性能得到明顯改善。

行波超聲波電機(jī)； 中空環(huán)形； 試驗(yàn)研究； 性能優(yōu)化

0 引 言

超聲波電機(jī)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)定子的超聲振動(dòng)，并通過(guò)定轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合輸出轉(zhuǎn)矩，具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、斷電自鎖、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，在工業(yè)控制、精密儀器、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[3-4]。環(huán)形行波超聲波電機(jī)是研究最為成熟的超聲波電機(jī)。傳統(tǒng)的環(huán)形行波超聲波電機(jī)的定子通過(guò)定子環(huán)內(nèi)側(cè)較薄的支撐板固定在底座上，定轉(zhuǎn)子間的接觸在外圈，轉(zhuǎn)子與中間的轉(zhuǎn)軸相連以輸出轉(zhuǎn)矩[5-6]，整個(gè)電機(jī)的外形接近于扁形的實(shí)心圓筒。實(shí)際上，環(huán)形行波超聲波電機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的位置在圓環(huán)上，因此，可把超聲波電機(jī)做成中空結(jié)構(gòu)，使之適用于需要中空結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上[7]，如日本佳能公司將一款中空環(huán)形行波超聲波電機(jī)應(yīng)用于照相機(jī)自動(dòng)變焦鏡頭的驅(qū)動(dòng)[8]，但該中空超聲波電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力矩有限[9-10]。

本文設(shè)計(jì)了中空環(huán)形行波超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)，分析了定子的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，根據(jù)所設(shè)計(jì)的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸制作了樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了阻抗-頻率特性測(cè)試、定子受迫振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試和電機(jī)的輸出性能測(cè)試。針對(duì)試驗(yàn)測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的樣機(jī)存在的問(wèn)題，對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)措施，克服了原有樣機(jī)存在的問(wèn)題，使電機(jī)的輸出性能得到明顯改善。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的中空環(huán)形行波超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。電機(jī)主要包括底座、外殼、轉(zhuǎn)子、定子和壓電陶瓷片等，底座、外殼、轉(zhuǎn)子和定子均為中空環(huán)形結(jié)構(gòu)。定子底部粘接壓電陶瓷片后放置在底座套筒的外側(cè)，定子沿周向均勻地設(shè)置63個(gè)齒，轉(zhuǎn)子通過(guò)預(yù)壓力壓在定子齒面上。軸承選用角接觸球軸承，其內(nèi)圈與轉(zhuǎn)子接觸，外圈與外殼接觸。底座的上端設(shè)置有止動(dòng)螺栓，以阻止定子的周向運(yùn)動(dòng)。外殼通過(guò)緊固螺釘連接底座，通過(guò)調(diào)節(jié)緊固螺釘?shù)乃删o可以調(diào)整定子和轉(zhuǎn)子之間的法向預(yù)壓力。在壓電陶瓷片的底部設(shè)置第一彈性墊片，起到保護(hù)壓電陶瓷片的作用。軸承與轉(zhuǎn)子之間設(shè)置第二彈性墊片，第一彈性墊片和第二彈性墊片同時(shí)起到隔振和協(xié)助預(yù)壓力調(diào)整的作用。定子材料采用磷青銅，轉(zhuǎn)子采用硬鋁合金，壓電陶瓷采用PZT-8。

圖1 中空超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 定子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析

所設(shè)計(jì)的電機(jī)定子工作模態(tài)選擇為彎曲振動(dòng)模態(tài)B(0，7)，即節(jié)徑數(shù)為7，無(wú)節(jié)圓。采用ANSYS對(duì)定子進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，由于要考慮壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，因此選擇耦合場(chǎng)單元SOLID5對(duì)定子進(jìn)行網(wǎng)格劃分。定子劃分網(wǎng)格后如圖2所示，其中單元數(shù)為4788個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為8669 個(gè)。首先對(duì)定子進(jìn)行模態(tài)分析，以確定定子工作模態(tài)的共振頻率，結(jié)果如圖3(a)所示，工作模態(tài)的共振頻率為28.7kHz。進(jìn)一步對(duì)定子進(jìn)行諧響應(yīng)分析，分析時(shí)選擇頻率范圍為25～35kHz，步長(zhǎng)為100Hz，施加正弦電壓幅值為35V，并設(shè)置0.5%的結(jié)構(gòu)阻尼。計(jì)算得到如圖3(b)所示的定子振幅對(duì)應(yīng)頻率變化的曲線，從圖3(b)中可以看出，在工作模態(tài)的諧振點(diǎn)28.7kHz附近，振幅達(dá)到最大值1.44μm。

圖2 定子網(wǎng)格劃分

圖3 定子結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果

3 樣機(jī)試驗(yàn)測(cè)試

加工制作的中空環(huán)形行波超聲波電機(jī)各零部件及裝配好的樣機(jī)如圖4所示。壓電陶瓷一面需要粘接在定子的底部，另一面需要粘接柔性電路板，以便給電機(jī)通電。粘接前，先用酒精徹底清潔需要粘接的表面，然后將膠均勻地涂在待粘接的表面上，將定子、壓電陶瓷、柔性電路板依次粘接在一起后，放置在加壓工裝中加壓，以便施加一定的壓力使各部分緊密接觸。最后將整個(gè)工裝放入溫箱中高溫固化，在120℃下保持3h，而后自然冷卻。粘接完成后，將電機(jī)各零部件進(jìn)行裝配，組裝好的電機(jī)整體為中空結(jié)構(gòu)。

圖4 中空環(huán)形超聲波電機(jī)樣機(jī)

3.1 定子的阻抗-頻率特性測(cè)試

首先采用基于虛擬儀器技術(shù)的阻抗測(cè)量方法，測(cè)試定子A、B兩相的阻抗-頻率特性。采用NI公司的LabVIEW作為虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)，測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示，采用了LRC測(cè)量?jī)xHIOKI3522，PC機(jī)和LRC測(cè)量?jī)x之間采用GPIB卡進(jìn)行通信。該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量時(shí)可選擇激勵(lì)為恒壓0～5V或者恒流0～50mA，測(cè)量頻率范圍為0～100kHz。

圖5 阻抗-頻率測(cè)試系統(tǒng)

采用以上介紹的阻抗-頻率測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)制作的中空超聲波電機(jī)的定子進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)單獨(dú)取出定子，即定子為完全自由狀態(tài)(邊界條件自由)，且沒(méi)有施加預(yù)壓力。采用恒壓激勵(lì)方式，儀器所提供的激勵(lì)電壓為5V，測(cè)量頻率范圍為20～50kHz，測(cè)量點(diǎn)數(shù)為200個(gè)，得到的A、B兩相的阻抗-頻率特性曲線如圖6所示。由圖6可知，兩相的阻抗-頻率特性曲線具備良好的一致性。B(0，7)模態(tài)振動(dòng)頻率的計(jì)算值和測(cè)量值列于表1中。在測(cè)量值中，工作模態(tài)對(duì)應(yīng)兩個(gè)振動(dòng)頻率，原因在于加工誤差和材料不均勻等因素，使得原本為同一個(gè)振動(dòng)頻率的兩個(gè)正交的模態(tài)[sin(7θ)和cos(7θ)模態(tài)]出現(xiàn)了頻率偏差。計(jì)算值與測(cè)量值中較高的頻率基本吻合。

圖6 自由狀態(tài)下定子阻抗-頻率特性曲線

振動(dòng)模態(tài)計(jì)算值/kHz測(cè)量值/kHzB(0，7)28．727．9/29．2

將電機(jī)各零部件裝配成整機(jī)后，再對(duì)定子進(jìn)行阻抗-頻率特性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示，此時(shí)A相工作模態(tài)的共振頻率變?yōu)?8.1/29.4kHz，B相工作模態(tài)的共振頻率變?yōu)?8.3/29.5kHz，在預(yù)壓力的影響下，定子共振頻率略有升高，兩相阻抗-頻率特性曲線仍基本保持一致。

3.2 定子的振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試

采用德國(guó)Polytec公司的激光測(cè)振儀(PSV-400-M2)對(duì)定子在不同頻率和電壓幅值激勵(lì)下的振幅進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試時(shí)，定子為自由狀態(tài)，即單獨(dú)取出定子進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。測(cè)量時(shí)采用正弦激勵(lì)信號(hào)，測(cè)量頻率范圍為29.1～29.5kHz，步長(zhǎng)取0.1kHz，電壓幅值范圍為20～40V，步長(zhǎng)取5V，將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)連接起來(lái)得到不同頻率和電壓下定子振幅如圖8所示。由圖8可知，相同的電壓幅值下，定子的振幅在共振頻率點(diǎn)29.2kHz附近達(dá)到最大，越遠(yuǎn)離共振點(diǎn)振幅越小。在相同的頻率下，電壓越大振幅也越大。在共振頻率點(diǎn)，施加35V的電壓幅值時(shí)，定子振幅為1.49μm，而定子諧響應(yīng)分析結(jié)果顯示，在定子共振頻率點(diǎn)施加35V的電壓幅值時(shí)，定子振幅為1.44μm，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合。

圖7 定子振幅測(cè)試試驗(yàn)

圖8 不同頻率和電壓幅值下定子的振幅

3.3 電機(jī)的輸出性能測(cè)試

為了解所設(shè)計(jì)的中空超聲波電機(jī)的整體輸出性能，將電機(jī)的各零部件裝配成整機(jī)后，給電機(jī)通電測(cè)試，由信號(hào)發(fā)生器(美國(guó)Tektronix公司AFG320)產(chǎn)生兩路相位相差90°的交流信號(hào)，分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)功率放大器(日本NF公司HSA4052)放大后，輸出給超聲波電機(jī)的A相和B相，同時(shí)將兩路放大后的信號(hào)送至示波器顯示。測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示。由定子的阻抗-頻率特性測(cè)試可知，裝配好后電機(jī)工作模態(tài)的共振頻率約為29.4kHz，因此選擇測(cè)試頻率為29.4kHz，測(cè)試電機(jī)在不同電壓幅值下的空載轉(zhuǎn)速，結(jié)果如圖10所示，其中實(shí)心圓點(diǎn)為實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)。施加激勵(lì)電壓的幅值為50V時(shí)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速約為28r/min；隨著電壓幅值逐漸遞增，空載轉(zhuǎn)速也近似線性遞增，當(dāng)電壓幅值增為100V時(shí)，空載轉(zhuǎn)速達(dá)到約50r/min。

4 電機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)樣機(jī)的試驗(yàn)研究顯示，電機(jī)樣機(jī)存在以下問(wèn)題： (1) 定子兩個(gè)正交的工作模態(tài)出現(xiàn)了頻率偏差，從而導(dǎo)致合成行波畸變，進(jìn)而影響了電機(jī)的性能；(2) 由于壓電陶瓷也承受定轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力，因此所施加的預(yù)壓力很有限(僅為15N)，以防止將壓電陶瓷壓碎，而在有限的預(yù)壓力下，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩很小，電機(jī)性能并不理想。針對(duì)這些問(wèn)題，對(duì)定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和支撐方式進(jìn)行了改進(jìn)，以改善電機(jī)輸出性能。改進(jìn)后電機(jī)定轉(zhuǎn)子的截面如圖11所示，定子通過(guò)一個(gè)很薄的支撐板固定在底座上，壓電陶瓷處于懸空狀態(tài)，不承受定轉(zhuǎn)子的預(yù)壓力，定子和轉(zhuǎn)子仍為中空結(jié)構(gòu)。

圖9 電機(jī)輸出性能測(cè)試系統(tǒng)

圖10 不同電壓幅值下電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速

圖11 改進(jìn)后電機(jī)定轉(zhuǎn)子截面圖

與改進(jìn)前電機(jī)工作在B(0，7)模態(tài)不同，改進(jìn)后的電機(jī)工作在B(0，9)模態(tài)。對(duì)改進(jìn)后的樣機(jī)定子進(jìn)行阻抗-頻率特性測(cè)試，結(jié)果如圖12所示，A、B兩相工作模態(tài)的共振頻率分別為34.8kHz和34.9kHz，兩相頻率基本一致。從圖12中也可看出，定子兩個(gè)正交的工作模態(tài)頻率完全重合，克服了原來(lái)設(shè)計(jì)的定子兩個(gè)正交的工作模態(tài)出現(xiàn)頻率偏差的問(wèn)題。

改進(jìn)后電機(jī)樣機(jī)如圖13所示。改進(jìn)后電機(jī)整機(jī)外徑由原來(lái)的74mm增加到了84mm，電機(jī)內(nèi)中空部分的直徑從原來(lái)的42mm減小到30mm。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，改進(jìn)前的電機(jī)空載轉(zhuǎn)速為50r/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩僅為0.15N·m，而改進(jìn)后的電機(jī)，定轉(zhuǎn)子間可施加300N的預(yù)壓力，空載轉(zhuǎn)速達(dá)到80r/min，堵轉(zhuǎn)力矩達(dá)到2N·m?？梢?jiàn)，改進(jìn)后的樣機(jī)雖然體積略有增大，但輸出性能得到了明顯改善。

圖12 改進(jìn)后的定子阻抗-頻率特性曲線

圖13 改進(jìn)后的電機(jī)樣機(jī)

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了中空環(huán)形行波超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)，對(duì)定子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，根據(jù)所設(shè)計(jì)的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸制作了中空超聲波電機(jī)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了阻抗-頻率特性測(cè)試、定子振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試和電機(jī)的輸出性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，定子兩相的阻抗-頻率特性曲線具備良好的一致性，預(yù)壓力會(huì)使定子的共振頻率點(diǎn)略有升高；在相同的電壓幅值下，定子的振幅在共振頻率點(diǎn)附近達(dá)到最大，越遠(yuǎn)離共振點(diǎn)振幅越小；而在相同的頻率下，電壓越大振幅也越大，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速隨著電壓的增大而近似線性增加。

針對(duì)所設(shè)計(jì)的中空超聲波電機(jī)存在定子正交的工作模態(tài)出現(xiàn)頻率偏差以及所能施加的預(yù)壓力很有限的問(wèn)題，對(duì)定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和支撐方式進(jìn)行了改進(jìn)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的電機(jī)克服了原有樣機(jī)存在的問(wèn)題，輸出性能得到了明顯改善。

[1] 王光慶，岳玉秋，展永政.縱-彎復(fù)合旋轉(zhuǎn)式超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30(22)： 33-41.

[2] SHI J Z， YOU D M. Characteristic model of travelling wave ultrasonic motor[J]. Ultrasonics， 2014，54(2)： 725-730.

[3] 陳歡，史敬灼.基于遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37(6)： 38-41.

[4] RO J S， JUNG S Y， LEE C G， et al. Survey of a contact model and characteristic analysis method for a travelling wave ultrasonic motor[J]. International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics， 2014，46(3)： 437-453.

[5] 胡敏強(qiáng)，金龍，顧菊萍.超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì)[M].北京： 科學(xué)出版社，2005.

[6] 紀(jì)躍波，王濤.雙定子單轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2015，43(6)： 33-36.

[7] 田秀，王彥利，郞躍東，等.一種中空環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的研制[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷，2013，33(S2)： 190-193.

[8] 蔣寧.佳能EF28-105mm f/3.5—4.5 USM變焦鏡頭使用體會(huì)[J].照相機(jī)，1996(5)： 19-20.

[9] MAENO T， TSUKIMOTO T， MIYAKE A. Finite-element analysis of the rotor/stator contact in a ring-type ultrasonic motor[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics， Ferroelectrics， and Frequency Control， 1992，39(6)： 668-674.

[10] MAENO T， BOGY D B. FE analysis and LDA measurement of the dynamic rotor/stator contact in a ring-type ultrasonic motor[J]. Journal of Tribology， 1993，115(4)： 625-631.

Experimental Study and Optimal Design of Hollow Ring Type Traveling Wave Ultrasonic Motor*

JIANGChunrong1，ZHANGJinyang1，DONGXiaoxiao2，LUDanhong1

(1. College of Electric Power Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China； 2. College of Electrical Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China)

The structure of a hollow ring type traveling wave ultrasonic motor was designed. The structural dynamics of the stator was analyzed and the resonance frequency of the stator working mode as well as the harmonic response of the stator was observed. A prototype machine was manufacutured according to the designed motor dimension. Experimental study on the motor was then conducted. The impedance-frequency characteristics， the forced response of the stator under applied voltage， and the output performance of the motor were obtained. Aiming at the problems existing in the designed hollow ultrasonic motor， the stuructures and the supportig way of the stator and the rotor were improved in order to optimize the motor performance. The experimental results indicated that the problems existing in the original prototype were overcome and the performance of the motor was improved significantly.

traveling wave ultrasonic motor； hollow ring type； experimental study； performance optimization

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51507076)；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20140766)；江蘇省配電網(wǎng)智能技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心開(kāi)放基金項(xiàng)目(XTCX201610)

蔣春容(1983—)，女，博士，講師，研究方向?yàn)槌暡姍C(jī)及驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)。

TM 35

A

1673-6540(2016)07-0040-05

2016-01-22