新型碗狀超聲波電動(dòng)機(jī)的研究

王晉軍，任一峰，劉倩倩,楊建旭

(中北大學(xué)，太原 030051)

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新型碗狀超聲波電動(dòng)機(jī)的研究

王晉軍，任一峰，劉倩倩,楊建旭

(中北大學(xué)，太原 030051)

針對(duì)一類定子結(jié)構(gòu)不確定的超聲波電動(dòng)機(jī)，基于壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)，構(gòu)造出一種碗狀型的新型超聲波電動(dòng)機(jī)。通過(guò)對(duì)壓電換能器尺寸的設(shè)計(jì)與調(diào)整，從而使電機(jī)的部分性能得到優(yōu)化。利用ANSYS有限元分析的方法對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)壓電換能器進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。建立以諧振頻率和預(yù)壓力為超聲波電動(dòng)機(jī)基本性能測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

超聲波電動(dòng)機(jī)；壓電陶瓷片；壓電換能器；ANSYS有限元分析

0 引 言

為了克服傳統(tǒng)電機(jī)功率密度低、起動(dòng)停止控制性能差、定位精度比較低、噪聲大等缺點(diǎn)，人們研發(fā)出一種具有速度快、輸出力矩大的小型超聲波電動(dòng)機(jī)[1-2]。超聲波電動(dòng)機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)在定子的某個(gè)頻率段產(chǎn)生微觀振動(dòng)，從而利用定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或做直線運(yùn)動(dòng)[3-4]。旋轉(zhuǎn)型超聲波電動(dòng)機(jī)與直線型超聲波電動(dòng)機(jī)逐漸取代了大型傳統(tǒng)電機(jī)，成為社會(huì)發(fā)展的趨勢(shì)。在照相機(jī)、攝像機(jī)、汽車門窗、精密驅(qū)動(dòng)平臺(tái)中都需要小型超聲波電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電源。本文研究一種碗狀型超聲波電動(dòng)機(jī)，它是基于棒板復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上改造出半徑越小、厚度就越低的一種壓電陶瓷片。與棒板復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)比較，這種碗裝型超聲波電動(dòng)機(jī)在交流信號(hào)的作用下，有效地增加了壓電陶瓷片定子的接觸面積，使其共振效果達(dá)到最佳狀態(tài)。本文研究碗狀型超聲波電動(dòng)機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，易實(shí)現(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)業(yè)化[5]。本文采用了有限元仿真軟件對(duì)直徑為2 mm的行波型微特電機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析，并得出了振動(dòng)的固有頻率。

1 碗狀型超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型與壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想

碗裝型超聲波電動(dòng)機(jī)主要元器件有轉(zhuǎn)子、定子、壓電陶瓷片、軸、墊片。利用壓電陶瓷片的逆壓電效應(yīng)，設(shè)計(jì)出半徑越小厚度略低，并且施加兩相相位差90°的交流信號(hào)，從而使壓電換能器定子的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓運(yùn)動(dòng)。這個(gè)碗狀型超聲波電動(dòng)機(jī)的壓電陶瓷片是在棒板復(fù)合型壓電陶瓷片的基礎(chǔ)上改裝而成的，上表面略向下傾斜有利于在共振頻率作用時(shí)取得較大的振動(dòng)幅度，從而產(chǎn)生較大的摩擦力。最終達(dá)到最大的驅(qū)動(dòng)速度[6-7]。圖1為壓電陶瓷片設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，圖2為超聲波電動(dòng)機(jī)的整體組裝圖和壓電陶瓷的極化激勵(lì)方式。

圖1 壓電陶瓷片設(shè)計(jì)

圖2 超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型與壓電陶瓷片極化方式

2 有限元仿真

將壓電換能器這個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)離散為由各種相互連接不同單元組成的模型，這一步稱為壓電換能器的單元網(wǎng)絡(luò)劃分。在有限元中分析壓電換能器的機(jī)械結(jié)構(gòu)已不是原有的實(shí)體模型，而是同樣性質(zhì)的材料由許多個(gè)體單元以一定方式組成離散物體。如果劃分方式合理，且劃分單元數(shù)量達(dá)到一定程度時(shí)，則仿真結(jié)果與實(shí)際情況符合。

將整個(gè)實(shí)體模型劃分網(wǎng)格后，壓電換能器通過(guò)一些離散的點(diǎn)連接起來(lái)，因此，作用在壓電換能器上的力都可以等效到節(jié)點(diǎn)上。對(duì)劃分后的網(wǎng)格單元施加邊界條件，使其按照一定的規(guī)律組合起來(lái)，從而形成的整體有限元方程如下：

(1)

式中：C為壓電陶瓷的剛度矩陣；ε為節(jié)點(diǎn)矩陣；e為壓電矩陣。

定義材料的性能參數(shù),如表1所示。

表1 定子電極片與壓電陶瓷參數(shù)

設(shè)計(jì)壓電陶瓷陶片外層厚度h1=1.25 mm，內(nèi)層厚度h2=0.75 mm[8-9]。

壓電陶瓷的剛度矩陣如下：

(2)

節(jié)點(diǎn)矩陣如下：

可得壓電矩陣：

(4)

壓電換能器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和有限元映射網(wǎng)絡(luò)劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 壓電換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)劃分

模態(tài)分析是壓電換能器在某個(gè)頻率下的振動(dòng)情況，從而初步確定壓電陶瓷片最佳振動(dòng)頻率(不會(huì)導(dǎo)致壓電陶瓷片發(fā)生畸變)。通過(guò)對(duì)壓電換能器進(jìn)行模態(tài)分析，可以在結(jié)構(gòu)上減小共振的情況下，使它的輸出效果達(dá)到最優(yōu)，有利于在諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)分析中優(yōu)化參數(shù)，縮短計(jì)算時(shí)間。采用分塊Block Lanczos 法提取模態(tài)特別有效。在壓電換能器的模態(tài)分析中對(duì)壓電陶瓷片的四個(gè)區(qū)域面上所有的節(jié)點(diǎn)施加電壓為0的位移約束，而那些非零載荷的自由度約束，在求解的時(shí)候被軟件自動(dòng)忽略掉，這就是我們施加力，壓力，溫度，即加速度但在模態(tài)提取中，經(jīng)常反映不出來(lái)的原因。模態(tài)分析短路狀態(tài)下程序：

/SOLU

ANTYP ,MODAL

MODOPT,LANB,15,0,100000 定義分塊LANCZOS法

MXPAND,15 擴(kuò)展模態(tài)數(shù)為15

ASEL，S，，，5 壓電陶瓷片面5短路

NSLA，S,1 選取面5上所有的節(jié)點(diǎn)

D，ALL，VOLT，0 施加電壓自由度為0

ASEL，S，，，20 壓電陶瓷片面20短路

NSLA，S,1

D，ALL，VOLT，0

ASEL，S，，，10 壓電陶瓷片面10接地

NSLA，S,1

D，ALL，VOLT，0

ASEL，S，，，15 壓電陶瓷片面15接地

NSLA，S,1

D，ALL，VOLT，0

NSEL，ALL 選取所有的節(jié)點(diǎn)

SOLVE 求解

對(duì)壓電換能器進(jìn)行模態(tài)分析，得到最佳頻率下的模態(tài)位移矢量圖，如圖4所示。

圖4 模態(tài)分析矢量圖

在模態(tài)分析中得到定子的低階振動(dòng)模態(tài)，與機(jī)械學(xué)計(jì)算出來(lái)的結(jié)果基本相吻合。壓電陶瓷片通過(guò)縱向振動(dòng)來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子做橢圓運(yùn)動(dòng)，找到共振頻率為23 442 Hz。

諧響應(yīng)分析是在外加連續(xù)的的交流信號(hào)作用下產(chǎn)生連續(xù)的周期響應(yīng)，來(lái)確定壓電陶瓷片水平方向上的振動(dòng)位移與頻率之間關(guān)系的一種新技術(shù)[10]。本文通過(guò)給兩相壓電陶瓷分別施加正弦與余弦兩相交變電壓時(shí)，分別激發(fā)出前后的一階彎曲振動(dòng)和左右方向的一階彎曲振動(dòng)，由于在相位上相差90°，所以定子可以合成繞軸線運(yùn)動(dòng)的橢圓軌跡，從而通過(guò)定、動(dòng)子之間摩擦驅(qū)動(dòng)動(dòng)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[11]。在諧響應(yīng)分析中取阻尼系數(shù)大小是0.003，電壓信號(hào)的幅值是100 V。諧響應(yīng)分析的程序如下：

/SOLU

ANTYPE,HARM 定義分析類型諧響應(yīng)分析

DMPRAT,0.003 定義阻尼比

HARFRQ，，50000 定義頻率范圍

OUTRES,NSOL,1

ASEL，S，，，5 選取面5的所有節(jié)點(diǎn)

NSLA，S,1

D,ALL,VOLT,100 給面5施加100V的電壓

ASEL，S，，，20 選取面 20的所有節(jié)點(diǎn)

NSLA，S,1

D,ALL,VOLT,100 給面20施加100V的電壓

SOLVE 求解

/POST26 進(jìn)入時(shí)間后處理器

NSOL,2,NDISP，u，y 定義變量2

/AXLAB,X,Frequency/Hz

/YXLAB,Y,Displacement/m

Prvar，2

用ANSYS有限元軟件對(duì)壓電換能器做諧響應(yīng)分析，得到壓電陶瓷片的諧響應(yīng)頻率-位移曲線，如圖5所示。

圖5 y方向諧響應(yīng)分析圖

在共振頻率為20 000 Hz的情況下，定子水平位移達(dá)到了最大值，為16 μm。所以本文設(shè)計(jì)的壓電微電機(jī)定子共振頻率是20 000 Hz,在這個(gè)頻率下，壓電換能器的工作效果達(dá)到最佳狀態(tài)。但是，在實(shí)際使用過(guò)程中定子與壓電陶瓷片的粘結(jié)情況會(huì)影響超聲波電動(dòng)機(jī)的傳輸效率。為了使電機(jī)更好的工作，我們必須對(duì)不同的粘結(jié)材料進(jìn)行比較，并選取比較適合的黏貼劑。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

通過(guò)螺釘和轉(zhuǎn)軸上的彈簧給超聲波電動(dòng)機(jī)的定子施加預(yù)壓力，利用波形發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正弦波信號(hào)，用功率放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。利用PSV-300F-B激光掃描測(cè)振儀對(duì)電壓激勵(lì)下壓電換能器定子表面諧響應(yīng)譜進(jìn)行掃描，在可移動(dòng)平臺(tái)上測(cè)試電機(jī)的扭矩和速度。得到的壓電換能器的掃描圖如圖6所示。

圖6 壓電換能器的掃描圖

從定子縱向位移諧響應(yīng)譜分析結(jié)果得出：在頻率為25 000 Hz時(shí)，定子振幅達(dá)到最大。即這種碗狀型超聲波電動(dòng)機(jī)的最佳工作頻率為25 000 Hz。而在有限元分析結(jié)果中，理論的工作頻率為23 442 Hz,所以測(cè)振儀得出的結(jié)果與有限元分析的結(jié)果相差1.7 kHz。這些值可以驗(yàn)證有限元仿真的精度，但是由于粘貼和加工工藝不同，導(dǎo)致了仿真結(jié)果與實(shí)際的共振頻率有一定的差距。所以在共振頻率達(dá)到25 000 Hz時(shí)，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度達(dá)到220 mm/s。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種碗狀型超聲波電動(dòng)機(jī)，并且通過(guò)壓電陶瓷片的改造，從而達(dá)到改善轉(zhuǎn)換效率的目的。通過(guò)在壓電陶瓷片的四個(gè)分區(qū)施加相位相差90°的正弦交流信號(hào)，使得定子在水平方向上的位移變化比較大，驗(yàn)證了碗狀型超聲波電動(dòng)機(jī)的可行性。

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Research of a New Bowl Ultrasonic Motor

WANG Jin-jun，REN Yi-feng，LIU qian-qian，YANG Jian-xu

(North University of China，Taiyuan 030051,China)

For a class of piezoeletric micro special motors with uncertain stator structure,based on the converse piezoelectric effect of piezo ceramic plates,a new type of bar-plate composite ultrasonic motor was constructed.After the designing and adjusting of size in new PZT,the partial property of the electronic motor was optimized.ANSYS finite element analysis was used in the modes and resonance analysis. An evaluation system was built up composed of the resonance frequency and preloading to verify the exactness of the design through the experiment.

ultrasonic motor; piezo ceramic plates; PZT; ANSYS finite element analysis

2015-05-19

山西省高校創(chuàng)新項(xiàng)目(2012307)

TM359.9

A

1004-7018(2016)03-0011-03