關(guān)于行波超聲電動機的性能試驗與分析

周　培

(南京航空航天大學 金城學院 機電系，江蘇 南京 210056)

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關(guān)于行波超聲電動機的性能試驗與分析

周培

(南京航空航天大學 金城學院 機電系，江蘇 南京 210056)

摘要：研究行波超聲電動機的工作機理，分析其發(fā)熱量來源，主要有壓電陶瓷變形產(chǎn)生熱量，定子彈性體變形產(chǎn)生熱量，以及定轉(zhuǎn)子接觸面摩擦生熱。電動機性能的相關(guān)試驗表明，行波超聲電動機發(fā)熱源的影響次序分別是定轉(zhuǎn)子的接觸摩擦生熱，壓電陶瓷生熱，以及定子彈性體的變形產(chǎn)生的熱量，定子彈性體的變形產(chǎn)生的熱量很小，可以忽略不計。定轉(zhuǎn)子摩擦發(fā)熱可以分為接觸區(qū)摩擦生熱和摩擦材料受擠壓發(fā)熱，影響接觸區(qū)發(fā)熱量的主要因素是摩擦材料的厚度、摩擦因數(shù)、彈性模量和預緊力。通過試驗研究了電動機的熱工作能力。

關(guān)鍵詞：超聲電動機；壓電陶瓷；熱量；性能試驗

超聲電動機是一種目前比較流行的新型電動機，其采用壓電材料驅(qū)動,利用內(nèi)部晶體的逆壓電效應和超聲級振動,將材料的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運動。超聲電動機具有響應快(毫秒級)、無噪聲、慣性小、不受磁場干擾、斷電自鎖和控制性能好等優(yōu)點。超聲電動機的類型很多，目前用途較為廣泛的有旋轉(zhuǎn)式行波超聲電動機和直線超聲電動機，本文選取技術(shù)相對成熟的行波超聲電動機作為研究對象，開展系列性能研究。

行波超聲電動機的關(guān)鍵工作元件是壓電陶瓷，壓電陶瓷在通電的情況下會發(fā)生形變。由于電動機定子直接和壓電陶瓷固定連接，定子也會發(fā)生形變，這種形變在定子表面形成行波，其表面質(zhì)點在垂直面作橢圓運動，帶動電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，由此驅(qū)動負載。試驗表明，在正常工作情況下，行波超聲電動機會產(chǎn)生一定熱量，其表面溫度為50～90 ℃，電動機效率較低，一般≤50%。從輸入的電能到最終輸出動能的轉(zhuǎn)換中，大量的能量以熱量的形式被損耗。在工作中，行波電動機過高的溫升不僅局限了其使用場合，而且對其各項性能參數(shù)都會產(chǎn)生影響，造成其性能不穩(wěn)定，因而對其產(chǎn)業(yè)化也產(chǎn)生了一定的影響。

行波超聲電動機對高溫工作環(huán)境較為敏感。試驗表明[1]，高溫環(huán)境下，電動機的轉(zhuǎn)速逐漸降低，堵轉(zhuǎn)力矩增大。在高溫環(huán)境中, 超聲電動機雖然外表顯示還能正常工作,但其機械特性已發(fā)生較大變化；所以，分析并處理溫度變化對電動機的影響，對行波超聲電動機的設(shè)計和控制過程具有一定的實際意義。文獻[2-3]研究了壓電陶瓷在特定溫度場下的振動情況，吉林大學也做過超聲電動機頻率溫度特性分析[4]，文獻[5]研究了滑動摩擦中的摩擦發(fā)熱和熱機理。

本文通過試驗，研究行波超聲電動機工作中溫度升高的原理和熱源；同時分析預緊力、摩擦材料厚度和定子工作溫度對電動機各項工作性能參數(shù)的影響規(guī)律。研究有助于探索超聲電動機產(chǎn)生熱量的根源，指導摩擦材料設(shè)計和預緊力的設(shè)定，對控制電動機的工作溫升，改善電動機的運行狀態(tài)有一定的作用。

1行波電動機工作溫升分析

在電動機運行過程中，由于電動機內(nèi)部各種損耗大多以熱能的形式表現(xiàn)出來，使其溫度升高。電動機通電，假設(shè)輸入電動機的初始電能為U，壓電陶瓷的壓電效應(這里是逆效應)會把輸入的電能轉(zhuǎn)化為壓電陶瓷中粒子微觀振動的動能，儲存在陶瓷內(nèi)部的內(nèi)能之和E1，以及在這一過程中壓電陶瓷的變形產(chǎn)生的熱能消耗Q1。由于壓電陶瓷和電動機定子之間為固定連接，壓電陶瓷的變形會使定子也隨之變形，定子的變形會使其金屬材料內(nèi)部的粒子產(chǎn)生摩擦，摩擦中損耗的熱能記為Q2。此時由于定子共振過程中的能量損耗，E1減少為定子上表面行波的機械振動能E2；電動機定子和轉(zhuǎn)子之間是通過定子上表面與轉(zhuǎn)子摩擦材料產(chǎn)生摩擦力，以此帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的，摩擦材料和定子材料之間有一定的嵌入和大量摩擦，這部分摩擦又會帶來熱能的損耗，故動能E2將因為摩擦而減少為E3，定轉(zhuǎn)子接觸面摩擦過程中熱量損耗記為Q3。其中E3/U就是電動機的效率。

圖1　超聲電動機中能量的轉(zhuǎn)化過程圖

根據(jù)行波電動機的工作原理[1]，并結(jié)合電動機的結(jié)構(gòu)，可得到超聲電動機中能量的轉(zhuǎn)化過程圖(見圖1)。由圖1可知，輸入電動機的初始電能U，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化，變成了轉(zhuǎn)子的最終輸出動能E3，每經(jīng)過一個轉(zhuǎn)化階段，能量都有所衰減，E1>E2>E3，損耗的能量Q1、Q2和Q3都是由于材料內(nèi)部微觀摩擦和定轉(zhuǎn)子接觸摩擦產(chǎn)生的。如果能夠確定能量損耗Q1、Q2和Q3之間的大小關(guān)系和影響其大小的因素，則有利于研究如何在電動機進行能量轉(zhuǎn)化的過程中控制能量損耗，對延長電動機壽命，提高電動機效率有很重要的意義。

2電動機運行特性試驗

本文試驗對象選取目前廣泛使用的φ60 mm行波超聲電動機，驅(qū)動器采用AFG3022信號發(fā)生器。其試驗結(jié)果具有一定代表性和普遍性。為了研究電動機實際工作溫升情況和高溫工作環(huán)境對電動機性能的影響，試驗分為兩部分：空氣中試驗和保溫試驗。

1)空氣中試驗。通過試驗測量不同參數(shù)下的電動機面溫度，并做了對比(見圖2)。試驗表明，電動機在自由定子狀態(tài)時的發(fā)熱量小于帶轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量，且同一轉(zhuǎn)子在相同的驅(qū)動電壓和頻率下，摩擦材料越厚，發(fā)熱量越大。

圖2　空氣中電動機熱量變化曲線

2)保溫試驗。本試驗中在電動機底座表面固定溫度傳感器，傳感器采用電阻式pt100，測量電動機工作時表面實時溫度，計算電動機發(fā)熱量。電動機用絕熱材料進行絕熱。假設(shè)電動機內(nèi)部熱量分布均勻，底座溫度即為電動機工作溫度。試驗時電動機始終裝夾在CZC—2轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀上，以定轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)進行試驗，轉(zhuǎn)速為100 r/min，空載。隨時監(jiān)測電動機輸出轉(zhuǎn)矩。為了將定子微觀振動產(chǎn)生的熱量與定轉(zhuǎn)子的接觸摩擦產(chǎn)生的熱量剝離，保溫試驗也分為2個步驟：不加載轉(zhuǎn)子的自由定子試驗和合并轉(zhuǎn)子但空載條件下的試驗。帶轉(zhuǎn)子試驗中，調(diào)整電動機的預緊力和轉(zhuǎn)子摩擦材料厚度，研究其對發(fā)熱量的影響。在試驗中，電動機輸入電壓為400 V，為了數(shù)據(jù)的可比性在試驗中調(diào)節(jié)頻率，以保持電動機轉(zhuǎn)速恒定。轉(zhuǎn)子摩擦材料采用環(huán)氧樹脂基材料。摩擦材料厚度有0.14、0.17、0.2、0.23和0.26 mm共5組，每組厚度中又分別做250、220和200 N等3種預緊力的電動機熱量試驗。

3試驗結(jié)果分析

3.1電動機熱源分析

摩擦材料厚度為0.26 mm時，加載不同預緊力，電動機溫度變化曲線如圖3所示。

圖3　不同預緊力下電動機工作溫度曲線

電動機在自由定子的狀態(tài)下，工作溫度比加上轉(zhuǎn)子后工作溫度要低，加上轉(zhuǎn)子之后工作溫度升高明顯，且從圖3可知，加上轉(zhuǎn)子之后增加的定轉(zhuǎn)子接觸摩擦生熱，在總熱量中占主導地位。

本試驗分為15組研究對象，5組摩擦材料厚度，每組摩擦材料厚度設(shè)定3種預緊力值，從而進行不同摩擦材料厚度和預緊力條件下，電動機發(fā)熱量的對比試驗。試驗結(jié)果表明，摩擦材料厚度和預緊力越大，定轉(zhuǎn)子接觸摩擦產(chǎn)生的熱量占電動機總發(fā)熱量的比例越大。由于行波電動機若要正常工作，必須有一定厚度的摩擦材料，所以在此試驗中，摩擦材料發(fā)熱仍占熱源的主體位置。

3.2預緊力和摩擦材料厚度對發(fā)熱量的影響

1)當預緊力不變時，摩擦材料厚度變化對電動機溫升影響曲線呈正態(tài)分布(見圖4)，最大臨界值與預緊力大小有關(guān)。

圖4　摩擦材料厚度對電動機溫升的影響規(guī)律

2)摩擦材料厚度不變，預緊力越大，發(fā)熱量越大(見圖5)。

圖5　電動機溫升隨預緊力變化的規(guī)律

3.3電動機結(jié)構(gòu)對其機械特性的影響

1)摩擦材料厚度增大，定轉(zhuǎn)子接觸摩擦增大，電動機空載轉(zhuǎn)速減小(見圖6)。

圖6　空載轉(zhuǎn)速隨摩擦材料厚度的變化規(guī)律

2)在同一預緊力下，摩擦材料厚度與堵轉(zhuǎn)力矩之間成波動變化，變化趨勢一致，預緊力越大，堵轉(zhuǎn)力矩越小(見圖7)。

圖7　堵轉(zhuǎn)力矩隨摩擦材料厚度的變化曲線

3.4摩擦材料硬度與發(fā)熱量關(guān)系試驗

摩擦材料的硬度越大，電動機的發(fā)熱量越大。試驗中摩擦材料取金剛石作為材料時，電動機溫度短時間內(nèi)急劇上升(見圖8)。

圖8　摩擦材料硬度與發(fā)熱量關(guān)系

3.5電動機熱工作能力試驗

圖9　電動機耐高溫試驗曲線

該試驗中，在前述試驗的電動機在絕熱環(huán)境下，連續(xù)工作，記錄其溫度變化，測試其高溫耐受性。該次試驗中，電動機連續(xù)工作了50 min。在前25 min內(nèi)，隨著時間的推移，電動機表面溫度不斷升高，且升高幅度較大；在25 min之后，電動機表面溫度雖然繼續(xù)升高，但變化幅度明顯放緩；在溫度約為120 ℃時，不再上升；在50 min時，電動機溫度達到了128 ℃，壓電陶瓷片突然斷裂，電動機停轉(zhuǎn)。

4結(jié)語

本文以φ60 mm行波型超聲電動機作為研究對象，通過電動機定轉(zhuǎn)速絕熱試驗，探索了在電動機能量轉(zhuǎn)化的過程中，不同環(huán)節(jié)產(chǎn)生的熱量在總熱量中所占的比重，研究了不同熱能損耗產(chǎn)生的根本原因。研究發(fā)現(xiàn)，隨著預緊力、摩擦材料厚度等參數(shù)不同，電動機發(fā)熱源的主體改變，電動機的運行特性也不同；但從總體趨勢上分析，定轉(zhuǎn)子的接觸摩擦生熱仍是導致超聲電動機工作中產(chǎn)生大量熱量的最主要原因。本試驗定轉(zhuǎn)子摩擦層所用的環(huán)氧樹脂基摩擦材料，當預緊力為200 N、材料厚度為0.14 mm時，電動機的工作發(fā)熱量總量最小，電動機機械特性也較為理想。為了控制電動機在工作中不會有過高的溫升，應針對不同的摩擦材料，研究預緊力和摩擦材料厚度的最佳搭配值。當然在電動機負載運行時，負載的大小也會影響其工作溫升。

試驗中還發(fā)現(xiàn)，在過高的運行溫度下，雖然電動機表面仍正常工作，但高溫已經(jīng)改變了壓電材料的內(nèi)部性能。本次試驗中，70 ℃的溫度已經(jīng)使壓電陶瓷產(chǎn)生了無法逆轉(zhuǎn)的熱疲勞，嚴重影響了電動機壽命，甚至會使壓電陶瓷斷裂。

參考文獻

[1] 鄭偉，朱春玲，蘆丹，等.高溫環(huán)境下旋轉(zhuǎn)型行波超聲電動機性能研究[J].中國電動機工程學報，2008(21):85-89.

[2] Kadoli R, Ganesan N.Studies on dynamic behavior of composite and isotropic cylindrical shells with PZT layers under axisymmetric temperature variation[J].Journal of Sound and Vibration, 2004，271:103-130.

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[5] 楊建恒，張永振，邱明，等.滑動干摩擦的熱機理淺析[J].潤滑與密封，2005(9)：173-176.

責任編輯馬彤

Performance Test and Analysis about the Traveling Wave Ultrasonic Motor

ZHOU Pei

(Jincheng College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Electrical System, Nanjing 210056, China)

Abstract：The working mechanism of the traveling wave ultrasonic motor has been studied. The main heat sources include: heat produced from deformation of piezoelectric ceramic, the stator elastomer deformation and heat produced from stator interface friction. Relevant test has been done to prove the influence of traveling wave ultrasonic motor heat source is: heat produced from stator interface friction, heat produced from deformation of piezoelectric ceramic, and heat produced from the stator elastomer deformation. Heat produced from the stator elastomer deformation is so rare that can be neglected. Heats produced from stator interface friction include friction heat from contact region and squeezing of friction materials. The main factor influencing the contact area calorific value is the thickness of friction materials, friction coefficient, modulus of elasticity and precompression. The hot working ability of the motor has also been studied.

Key words:ultrasonic motor, piezoelectric ceramic, heat, performance test

收稿日期：2015-12-01

作者簡介：周培(1983-)，女，講師，碩士，主要從事機械設(shè)計及理論等方面的研究。

中圖分類號：TH 122

文獻標志碼:A