旋轉(zhuǎn)行波超聲電機性能提升技術(shù)進展

安大偉，張建輝，薛昊東，寧青雙，黃衛(wèi)清

(廣州大學(xué) 機械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

1 引 言

超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將定子超聲頻段內(nèi)的微觀振動轉(zhuǎn)化為動子的宏觀運動的一種新型微特電機，具有低速大扭矩、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)緊湊、無電磁干擾等優(yōu)點[1-8]。1983年Sashida首次提出行波驅(qū)動型超聲電機，通過壓電振子上質(zhì)點的行波運動驅(qū)動滑塊直線運動，設(shè)計了環(huán)梁式和直梁式兩種直線電機方案。1987年，Ishe等在Sashida的基礎(chǔ)上提出了旋轉(zhuǎn)行波型聲波電機，其定子采用梳齒結(jié)構(gòu)來放大定子質(zhì)點振幅，顯著提升了電機的輸出功率及輸出效率。我國對超聲電機的研究始于20世紀80年代末，清華大學(xué)周鐵英等于1989年申請了國內(nèi)首項關(guān)于超聲電機的發(fā)明專利。1995年，趙淳生等研制出結(jié)構(gòu)完整、可實際應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)行波超聲電機，并積極推進超聲電機的產(chǎn)業(yè)化[9]。目前，超聲電機已廣泛應(yīng)用于鏡頭調(diào)焦系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、微型機器人及航天產(chǎn)品等精密驅(qū)動領(lǐng)域[10-17]，其相關(guān)研究在美國、日本、中國、新加坡等多所科研機構(gòu)也在持續(xù)開展，涉及到超聲電機的機理分析、結(jié)構(gòu)改進、新材料應(yīng)用、溫升影響、預(yù)壓力影響、頻率漂移及雙行波驅(qū)動等諸多領(lǐng)域。

2 運行機理

旋轉(zhuǎn)行波超聲電機為環(huán)形結(jié)構(gòu)，是目前研究和應(yīng)用最多的超聲電機。傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的定子由金屬彈性體及壓電陶瓷環(huán)片構(gòu)成，金屬彈性體上端面采用梳齒結(jié)構(gòu)用以放大定子振幅，壓電陶瓷片粘貼在金屬彈性體下端面，相鄰壓電陶瓷片極化方向相反且被分為對稱的兩個分區(qū)，兩個分區(qū)之間有λ/4的空間相位差，其中λ為彈性波波長。轉(zhuǎn)子由金屬彈性體及摩擦層材料組成，通常分為剛性轉(zhuǎn)子及柔性轉(zhuǎn)子。Hagedorn等對旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的工作機制及數(shù)學(xué)建模進入了詳細探討[18-19]，為超聲電機的變型設(shè)計及相應(yīng)機理分析奠定了理論基礎(chǔ)。

2.1 定子上行波的合成

根據(jù)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，當(dāng)對定子上其中一個分區(qū)的壓電陶瓷施以正弦電壓激勵時，定子彈性體被激發(fā)產(chǎn)生駐波振動，定子質(zhì)點的駐波振動位移ξs如式(1)所示：

ξs(x,t)=ξ0cos(kx)cos(2πft)，

(1)

其中：ξ0是駐波的位移幅值，k=2π/λ，f是激勵電壓頻率。當(dāng)另一分區(qū)的壓電陶瓷被相同頻率、相位差為π/2 的另一路正弦電壓激勵時，定子彈性體中的兩相駐波振動將合成為行波振動，定子質(zhì)點的行波振動位移ξt如式(2)所示：

ξt(x,t)=ξ0cos(kx-2πft).

(2)

2.2 質(zhì)點的橢圓運動

當(dāng)定子處于行波振動狀態(tài)時，其表面質(zhì)點的軸向位移wz和周向位移wx可分別表示為：

wz(x,t)=Wzcos(kx-2πft)，

(3)

wx(x,t)=Wxcos(kx-2πft)，

(4)

其中：Wz是定子表面質(zhì)點的軸向位移幅值，Wx是定子表面質(zhì)點的周向位移幅值。結(jié)合式(3)和式(4)，定子表面質(zhì)點在XOZ平面上的運動符合橢圓運動規(guī)律如式(5)所示：

(5)

2015年，Mashimo等通過高速顯微鏡系統(tǒng)實時測得了定子表面質(zhì)點的軸向與周向位移[20]，從時域角度用實驗方法驗證了旋轉(zhuǎn)行波超聲電機定子質(zhì)點的橢圓運動機制。

2.3 接觸界面的摩擦驅(qū)動

旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的驅(qū)動力由接觸界面間產(chǎn)生的摩擦力提供。當(dāng)定子在其諧振頻率附近發(fā)生高階振動時，位于波峰附近的定子表面質(zhì)點對轉(zhuǎn)子摩擦層產(chǎn)生擠壓作用，摩擦層受到的軸向分布力與預(yù)壓力的關(guān)系如式(6)所示：

(6)

其中：n是定子周向上產(chǎn)生的波數(shù)，a是單個波長內(nèi)定轉(zhuǎn)子接觸長度的一半，F(xiàn)0是摩擦層所受到的正弦軸向分布力的幅值，F(xiàn)N是對電機施加的預(yù)壓力。根據(jù)赫茲接觸理論，電機的輸出扭矩如式(7)所示：

M=(min(Fd,Fs)-Fr)r=(μs-μr)FNr，

(7)

其中：M是電機的輸出力矩，F(xiàn)d是定子接觸質(zhì)點對轉(zhuǎn)子的驅(qū)動力，F(xiàn)s是接觸界面間的靜摩擦力，F(xiàn)r是接觸界面間的滾動摩擦力，r是轉(zhuǎn)子的有效半徑，μs是接觸界面的靜摩擦系數(shù)，μr是接觸界面間的滾動摩擦系數(shù)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與新材料應(yīng)用

旋轉(zhuǎn)行波超聲電機通過定子的微幅振動驅(qū)動轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)，為了進一步提升電機的輸出性能及運行穩(wěn)定性并推進電機的微型化、輕質(zhì)化發(fā)展，不同結(jié)構(gòu)形式及應(yīng)用新材料的超聲電機被陸續(xù)研究。

3.1 電機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

自20世紀90年代起，為了解決傳統(tǒng)超聲電機摩擦損耗的問題，研究者嘗試設(shè)計了非接觸型超聲電機，通過定子與轉(zhuǎn)子間的流體層傳遞扭矩[21-22]。該型超聲電機避免了定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦接觸，具有壽命長轉(zhuǎn)速高的特點，但是其輸出力矩較小，沒有停機自鎖能力。2010年，Chen等利用壓電陶瓷的d33模態(tài)提出了將壓電陶瓷疊堆與預(yù)壓彈簧交替嵌套在定子環(huán)上[23]。2013年，Lu等設(shè)計了雙定子環(huán)的旋轉(zhuǎn)行波超聲電機，通過在兩個定子之間均勻布置4個彎曲模態(tài)的蘭杰文振子來激勵兩個定子分別產(chǎn)生高階行波，進而驅(qū)動兩個轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)[24]。這兩種新型電機較傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)行波超聲電機具有更優(yōu)的輸出性能及環(huán)境適應(yīng)性，但在其提高電機輸出功率的同時也增大了電機的設(shè)計尺寸，不利于超聲電機的微型化發(fā)展。2015年，Peng等提出了一種新型的雙轉(zhuǎn)子夾持單定子的旋轉(zhuǎn)行波超聲電機結(jié)構(gòu)[25]，其定子采用壓電陶瓷塊嵌套環(huán)形布置，定子基體創(chuàng)新性地采用了PCB板制作，便于驅(qū)動控制電路的集成化設(shè)計，然而由于其基于B03振動模態(tài)，定轉(zhuǎn)子接觸區(qū)域有限，輸出扭矩較小。2016年，Mohd Romlay等通過結(jié)構(gòu)修正使定子中性面下移以提高定子表面質(zhì)點的振動幅度[26]，進而提高了超聲電機的輸出性能。2019年，Zhang等提出了一種簡單易行的優(yōu)化定子梳齒結(jié)構(gòu)的方案，通過減小摩擦角來降低接觸界面徑向滑移進而減低能量損耗，并通過實驗驗證了定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的電機效率可達44.3%，遠高于定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的電機效率25%[27]。

3.2 電機的新材料應(yīng)用

超聲電機的壓電陶瓷片通常采用PZT材料,其工作溫度范圍在-40～100 ℃，適用于多數(shù)民用工程領(lǐng)域，而深空探測等極端工況對超聲電機的環(huán)境適應(yīng)性提出了更為苛刻的要求。2005年，Dong等將PMN-PT單晶材料應(yīng)用于直線超聲電機[28]，在超低溫環(huán)境中表現(xiàn)出了較好的運行性能及穩(wěn)定性，該項目獲得了美國NASA的基金支持。由于新型單晶材料更為優(yōu)異的材料屬性及環(huán)境適應(yīng)性，用其替代傳統(tǒng)PZT壓電材料的新型超聲致動器被相繼研發(fā)[29-32]，展現(xiàn)了超聲電機的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

超聲電機的定轉(zhuǎn)子通常采用金屬材料制造，2015年，基于PPS材料低密度、低彈性模量、低機械損耗的特點，Wu等首次利用PPS材料制作了輕質(zhì)化定子，并采用不同材料制作轉(zhuǎn)子，通過實驗研究其最佳匹配性能[33]，該方案可顯著減小微機械系統(tǒng)的質(zhì)量并提高其可操作性。隨后，基于有機材料的超聲電機得到了持續(xù)研究[34-35]，這種非金屬材質(zhì)定子的出現(xiàn)為超聲電機的微型化、輕質(zhì)化發(fā)展開辟了嶄新的研究方向，使其應(yīng)用場景有望向重視生物兼容性的醫(yī)療器械領(lǐng)域延伸。

4 驅(qū)動頻率漂移

旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的驅(qū)動頻率與定子諧振頻率一致。在實驗研究中發(fā)現(xiàn)，隨著超聲電機運行時間的增加，驅(qū)動頻率會偏離定子原有的諧振頻率，且預(yù)壓力的變化也會引起超聲電機驅(qū)動頻率的漂移。

4.1 溫升控制與頻率漂移

由于摩擦損耗、阻尼損耗和介電損耗的存在，超聲電機會隨著運行時間的增加產(chǎn)生明顯的發(fā)熱現(xiàn)象，從而引起其驅(qū)動頻率漂移，輸出功率下降[36]，嚴重影響了超聲電機的運行穩(wěn)定性及可操作性。2011年，Lu等對旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的溫度場進行了暫態(tài)及穩(wěn)態(tài)研究[37]，通過理論分析、有限元仿真及實驗驗證等方法，指出了電機的最大溫度點位于定轉(zhuǎn)子接觸界面且依賴于摩擦層的導(dǎo)熱系數(shù)。此外，文章也探討了溫度場與電機尺寸、室溫、環(huán)境真空度的關(guān)系。2014年，Li等提出了基于電機反饋電壓、壓電陶瓷介電常數(shù)、壓電陶瓷介電損耗因子等自變量的溫升預(yù)測模型[38]，為減少超聲電機熱損耗、改進電機控制策略、提高電機的可靠壽命提供了重要指導(dǎo)。2014年，為解決超聲電機由于溫度升高而引起的性能下降、不能連續(xù)工作等問題，Ou等從熱傳導(dǎo)的角度設(shè)計了水冷式電機基座[39]，使超聲電機溫度在上升22 ℃時達到飽和，有效抑制了超聲電機的溫升現(xiàn)象，為實現(xiàn)超聲電機的連續(xù)可靠運轉(zhuǎn)提供了明確解決方案。

4.2 變預(yù)壓力與頻率漂移

預(yù)壓力是確保定轉(zhuǎn)子良好接觸、電機穩(wěn)定運行的關(guān)鍵性參數(shù)。2007年，王光慶等首次提到超聲電機預(yù)壓力變化對定子諧振頻率的影響[40]，并在接下來的研究中進一步探究了預(yù)壓力與電機噪聲特性、溫度特性及壓電陶瓷夾持電容的關(guān)系[41]，指出隨著預(yù)壓力的增加，壓電陶瓷夾持電容隨之減小，電機噪聲強度隨之降低。同時，隨著預(yù)壓力的增加，超聲電機的飽和溫度會隨之升高，使電機定轉(zhuǎn)子的摩擦損耗加劇，壽命降低。2010年，周盛強等利用三維點點接觸單元建立了旋轉(zhuǎn)行波超聲電機穩(wěn)定工作時接觸界面的空間域模型，模擬分析了預(yù)壓力、定子振幅、摩擦材料特性對電機性能的影響[42]。2014年，張煒等用有限元方法從模態(tài)分析的角度研究了預(yù)壓力與定子諧振頻率的變化關(guān)系[43]，再次指出了預(yù)壓力與諧振頻率的單調(diào)遞增關(guān)系，但仍然未能對其中的作用機理做出理論解釋。2019年，Mustafa等利用最小驅(qū)動電流與最大驅(qū)動效率一致的特點，采用極值搜尋控制技術(shù)實現(xiàn)了對旋轉(zhuǎn)超聲電機最優(yōu)效率的穩(wěn)定跟蹤。并通過增加預(yù)壓力動態(tài)調(diào)控系統(tǒng)來實現(xiàn)對電機輸出功率的調(diào)節(jié)[44]。

5 雙行波驅(qū)動技術(shù)

傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)行波超聲電機由定子的質(zhì)點振動擠壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生驅(qū)動力使電機運轉(zhuǎn)，基于結(jié)構(gòu)改進、新材料應(yīng)用、溫度控制、預(yù)壓力調(diào)節(jié)等方法可以在一定程度上提高電機輸出性能，但其性能提升幅度有限，并未能從根本上解決超聲電機輸出功率小、能力轉(zhuǎn)換效率低的問題。2004年，Bai等首次提出了基于定轉(zhuǎn)子雙激勵的雙旋轉(zhuǎn)行波超聲電機概念[45]，指出通過對定轉(zhuǎn)子分別施加電壓激勵可以在定子及轉(zhuǎn)子上分別產(chǎn)生兩相行波，電機的轉(zhuǎn)速可由兩相行波的頻率差來確定，然而該研究并未對定轉(zhuǎn)子接觸界面的驅(qū)動機理進行詳細探討。2016年，Dong等詳細介紹了定轉(zhuǎn)子雙激勵的雙旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的設(shè)計方法，并從質(zhì)點橢圓運動機制、赫茲接觸理論等角度詳細分析了雙行波驅(qū)動的內(nèi)在機理[46-47]。同時采用有限元方法對定轉(zhuǎn)子模態(tài)進行分析，通過樣機輸出性能試驗指出雙振子激勵的雙旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的輸出功率顯著大于單振子激勵時的旋轉(zhuǎn)行波超聲電機。然而，這種雙旋轉(zhuǎn)行波超聲電機由于需要對兩個振子分別施加電壓激勵，在提高輸出功率的同時其輸入功率也倍數(shù)增加。因此，其能量轉(zhuǎn)換效率并未提高。且該型電機因?qū)D(zhuǎn)子施加電壓激勵而額外引入了電刷裝置，使電機本體及其驅(qū)動電源設(shè)計復(fù)雜度增加、體積增大，極大限制了其在精密驅(qū)動領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。2017年，An等通過對電機轉(zhuǎn)子振型的研究提出了諧振轉(zhuǎn)子的概念，指出諧振轉(zhuǎn)子具有與定子相同的諧振頻率與振動模態(tài)，采用電機定子的質(zhì)點振動作為激勵源可以在諧振轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生相同振型的行波[48]。文中通過理論推導(dǎo)分析了其定轉(zhuǎn)子接觸界面的驅(qū)動機理，設(shè)計了采用諧振轉(zhuǎn)子的無刷單振子激勵雙行波驅(qū)動旋轉(zhuǎn)超聲電機。通過樣機輸出性能試驗，其輸出轉(zhuǎn)速是采用普通轉(zhuǎn)子的傳統(tǒng)行波超聲電機的兩倍，且其輸出扭矩較采用普通轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)行波超聲電機也有明顯提高。此外，由于該設(shè)計采用單振子激勵，在提高電機輸出功率的同時并未增加其輸入功率，有效提高了電機的能力傳輸效率，且采用了無刷電機的結(jié)構(gòu)，保持了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)行波超聲電機結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點。

6 展 望

隨著旋轉(zhuǎn)行波超聲電機內(nèi)部運行機制的逐漸明晰，影響其輸出性能及穩(wěn)定性的制約問題不斷得到突破與解決，旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的應(yīng)用已有望從間歇驅(qū)動場合走向連續(xù)驅(qū)動領(lǐng)域。為了推動旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的進一步發(fā)展，以下幾個方面的問題仍然亟待深入探討：

(1)摩擦損耗問題。定轉(zhuǎn)子接觸界面上摩擦層的損耗是制約電機壽命的重要因素，而現(xiàn)有旋轉(zhuǎn)行波超聲電機定子的梳齒結(jié)構(gòu)在放大定子振幅的同時也引起了摩擦層周向不均勻擠壓，加速接觸界面的摩擦損耗。因此，在保持定子振動幅度的同時改進定子梳齒結(jié)構(gòu)是減少摩擦損耗的一個設(shè)計思路。

定轉(zhuǎn)子界面的摩擦接觸伴隨能量損耗的同時也為電機提供驅(qū)動力，因此，探討定轉(zhuǎn)子雙諧振的類齒輪傳動機制有望為改進電機驅(qū)動機制、減小摩擦損耗提供有效的解決方案。

(2)頻率漂移問題。溫度升高是影響超聲電機頻率漂移的主要原因，通過對電機的溫度場分析、設(shè)計電機水冷散熱裝置可有效抑制電機的頻率漂移、提高電機的運行穩(wěn)定性。然而這使得電機體積增大，不利于電機的微型化發(fā)展。因此，通過電機本體的結(jié)構(gòu)及材料改進來提高電機的散熱性能是旋轉(zhuǎn)行波超聲電機的一個發(fā)展方向。

預(yù)壓力的變化是影響超聲電機頻率漂移的另一個重要原因，目前雖已有相關(guān)文獻研究超聲電機輸出性能、諧振頻率與預(yù)壓力的對應(yīng)關(guān)系，然而其內(nèi)部作用機制仍不清楚。進一步探討預(yù)壓力變化引起頻率漂移的內(nèi)在機制將會為電機的改進設(shè)計提供可靠的理論指導(dǎo)。

(3)驅(qū)動頻率與噪聲問題。旋轉(zhuǎn)行波超聲電機工作在定子諧振頻率附近，微調(diào)驅(qū)動頻率可使電機的輸出性能有所提升，但同時會帶來電機嘯叫等噪聲問題。該現(xiàn)象目前尚未有文獻進行深入研究，然而其與電機的最佳輸出性能及運行穩(wěn)定性有著密切聯(lián)系。因此，探討電機驅(qū)動頻率、噪聲、振動幅度、定子溫度的耦合關(guān)系是進一步提升電機輸出性能、優(yōu)化電機控制策略的關(guān)鍵所在。