壓電疊堆驅(qū)動式超聲電機設計

梁亞成,路國緯,虞賽君,萬澳德

(1.合肥市軌道交通集團有限公司,安徽 合肥 230000;2.合肥市軌道交通集團有限公司運營分公司,安徽 合肥 230000;3.合肥工業(yè)大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引言

超聲電機具有無電磁干擾、噪聲較低、分辨率高、斷電即可自鎖、結(jié)構(gòu)簡單緊湊等優(yōu)點[1],可應用于半導體裝備驅(qū)動、精密測量和精密制造[2]等領域。1948年,Williams 和Brown聯(lián)合申請了世界上第一個壓電馬達專利[3]。從20世紀80年代起,超聲電機進入飛速發(fā)展階段。國內(nèi)許多團隊進行了此方面的研究,如朱華等[4]設計的貼片式四足超聲電機,在激勵電壓峰-峰值為200 V時電機最大速度為130 mm/s;王瑞鋒團隊設計的單相駐波驅(qū)動旋轉(zhuǎn)型超聲電機[5],電機在峰-峰值為300 V的激勵電壓下最大轉(zhuǎn)速達到123.9 r/min(順時針)和450.9 r/min(逆時針);王鑫等[6]設計的貼片式縱彎復合型超聲電機,實現(xiàn)電機最大推力0.48 N。

現(xiàn)有超聲電機大多采用陶瓷片[7]粘貼金屬彈性體構(gòu)成定子結(jié)構(gòu),利用壓電陶瓷的d31模式[8]進行激勵,但是此激勵方式受到膠層與金屬層剪切耦合的影響,輸出性能受到嚴重制約。相同尺寸參數(shù)的壓電材料,壓電系數(shù)d33約為d31的2倍,d33模式開路輸出電壓約為d31模式開路輸出電壓的20倍[9]。為了提升超聲電機的輸出性能,本文研究了利用壓電陶瓷d33模式的激勵特性,以若干壓電陶瓷片通過機械串聯(lián)和電學并聯(lián)的方式,形成壓電疊堆,驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。此研究為后續(xù)研制大輸出轉(zhuǎn)矩超聲電機提供了思路。

1 電機結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電機結(jié)構(gòu)

圖1為電機的三維結(jié)構(gòu)。電機定子通過螺釘固定在底座上,底座中部鏤空,以便定子中壓電疊堆的接線與裝配。螺帽旋轉(zhuǎn)可達到調(diào)節(jié)預緊力的目的,中間圓孔實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子輸出軸的輸出。

1.2 工作原理

電機是利用換能器的縱向振動和圓筒徑向彎振的組合方式進行工作。如圖2所示,當給壓電疊堆施加高頻的交變激勵電壓后,壓電疊堆產(chǎn)生的橫向伸縮被位移放大機構(gòu)轉(zhuǎn)換為縱向振動,當換能器縱振振動頻率與電機定子中圓筒徑向彎振的特定模態(tài)頻率一致時,可以在定子圓筒中激勵出特定的彎曲振動行波。本文實驗采用自制的尺寸為7 mm×7 mm×26 mm壓電疊堆[10]。

圖2 換能器結(jié)構(gòu)

2 定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計與仿真

2.1 定子結(jié)構(gòu)設計

圖3為定子結(jié)構(gòu)圖,它包括圓筒、驅(qū)動齒、4個微位移放大機構(gòu)(換能器)和4個定子固定端。4個微位移放大機構(gòu)對稱式分布在圓筒外側(cè),微位移放大機構(gòu)的小端和圓筒外側(cè)結(jié)合,末端與各個定子固定端相連。定子中各部分無需額外的連接配合,可通過線切割技術(shù)直接加工切割。位移放大機構(gòu)、圓筒及固定端的一體化設計使定子結(jié)構(gòu)更簡單。同時,直接使用一體化設計而未通過如螺栓連接的方式進行配合,這使各部件在運作時不會給定子振動帶來不利影響。

圖3 電機定子結(jié)構(gòu)圖

換能器中壓電疊堆的激勵電壓信號如圖4所示。兩組換能器中的兩相交流激勵信號的幅值、頻率均相同,激勵信號頻率為定子的共振頻率。當兩相交流激勵信號的相位差為π/2時,定子圓筒內(nèi)側(cè)每個換能器產(chǎn)生的駐波合成為彎曲振動行波。若調(diào)整兩相激勵信號輸入時的相位,使其相位差為-π/2,則可在圓筒中激勵出與相位差為π/2時運動方向相反的行波,從而使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向換向。

圖4 兩相電壓激勵方式

2.2 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設計

本文設計的轉(zhuǎn)子部件如圖5(a)、(b)所示?？紤]到定子驅(qū)動齒和轉(zhuǎn)子接觸面的摩擦區(qū)域為驅(qū)動齒末端邊緣,為了有效利用驅(qū)動齒的上、下兩端,提高定子輸出利用率,在設計時將轉(zhuǎn)子分為活動轉(zhuǎn)桿和活動圓錐柱兩部分,上、下兩部分通過鍵連接,如圖5(c)所示。

圖5 電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

電機定、轉(zhuǎn)子間通過圓筒的驅(qū)動齒與轉(zhuǎn)子接觸面的摩擦耦合進行傳動,因此,定、轉(zhuǎn)子間需要施加合適的預壓力,以保證它們之間有良好的接觸和驅(qū)動效果?；谝陨弦?本文設計了一個螺母-彈簧配合系統(tǒng),該系統(tǒng)可實現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子之間預壓力的調(diào)節(jié)。如圖6所示,順時針旋轉(zhuǎn)螺母,增大定、轉(zhuǎn)子間的預壓力;逆時針旋轉(zhuǎn)螺母,減小定、轉(zhuǎn)子間的預壓力。

圖6 定、轉(zhuǎn)子配合圖

2.3 仿真分析

利用COMSOL仿真軟件對定子結(jié)構(gòu)進行模態(tài)仿真,研究了振動頻率大于20 kHz時定子的振型和受力情況。仿真發(fā)現(xiàn),在26.321 kHz頻率下定子圓筒共振時節(jié)圓數(shù)為0、節(jié)徑數(shù)為3(即圓筒徑向彎振模態(tài)B(0,3))。在此模態(tài)下驅(qū)動轉(zhuǎn)子時不會因產(chǎn)生軸向的驅(qū)動力而導致轉(zhuǎn)子軸向跳動,驅(qū)動效果很好。

綜上所述,對頻率26.321 kHz下的定子進行瞬態(tài)仿真,分析了定子的運動軌跡,如圖7所示。圖中,t為運動時間,n為正整數(shù),T為驅(qū)動信號的周期。當圖7(a)-(d)連續(xù)運動時,定子圓筒內(nèi)的驅(qū)動齒對轉(zhuǎn)子接觸面產(chǎn)生徑向推力,從而使轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動。

圖7 26.321 kHz時定子運動軌跡

3 實驗測試

3.1 實驗裝置

電機樣機裝置及實驗測試裝置如圖8、9所示。信號發(fā)生器(DG1022U)產(chǎn)生正弦波激勵信號,經(jīng)功率放大器放大,為電機提供驅(qū)動電壓。示波器(TBS1102B)用于監(jiān)測施加在壓電疊堆上激勵信號的頻率與幅值,以及兩相交流信號的相位差。實驗測試時可根據(jù)示波器的反饋隨時對輸入信號進行調(diào)整。霍爾傳感器(TOSHIBA (東芝) TSH119)及其后續(xù)處理電路用于測量超聲電機轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。

3.2 實驗測試

通過上述仿真結(jié)果可知,在一定頻率范圍內(nèi)電機定子均可對轉(zhuǎn)子進行驅(qū)動,所以可通過固定驅(qū)動信號的幅值、調(diào)節(jié)驅(qū)動信號頻率的方式來確定電機大致的工作頻率范圍。圖10為電機系統(tǒng)在激勵電壓峰-峰值200 V下,電機的轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系。

圖10 電機轉(zhuǎn)速與頻率

由圖10可看出,在激勵信號峰-峰值為200 V下,電機轉(zhuǎn)子可穩(wěn)定勻速轉(zhuǎn)動的起始頻率為25.8 kHz,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為31.71 r/min;當激勵信號頻率達到25.95 kHz時,電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到最大值39.46 r/min。通過分析可初步得出該樣機的實際最佳工作頻率為25.95 kHz,比COMSOL軟件仿真分析得出的最佳工作頻率(26.321 kHz)小0.371 kHz。針對此現(xiàn)象,對電機的整體情況進行分析,本文認為實際最佳工作頻率與仿真得出的結(jié)果存在差異,其原因有以下兩點:

1) 由于壓電疊堆中各壓電陶瓷片間的連接方式是通過環(huán)氧樹脂膠粘貼,因此,各壓電疊堆的總長度存在細微的誤差,這造成定子結(jié)構(gòu)與壓電疊堆形成裝配體后,在相同的驅(qū)動電壓下各換能器的振幅存在偏差。

2) 電機定子通過螺栓與底座固定,該固定方式與仿真環(huán)境中的固定約束條件存在一定偏差。

改變施加在壓電疊堆上交流信號的幅值,電機轉(zhuǎn)速與電壓間的關(guān)系如圖11所示。

由圖11可看出,在超聲電機的最佳工作頻率(25.95 kHz)下,輸入到壓電疊堆的兩相交流激勵信號的電壓幅值越大,電機轉(zhuǎn)速越快。當施加的電壓幅值達到310 V時,電機的輸出轉(zhuǎn)速達到42.55 r/min。同時,當電機在激勵電壓為250～310 V時,電機的轉(zhuǎn)速與激勵電壓呈一定的正相關(guān)關(guān)系。通過計算擬合,在該范圍內(nèi)電壓幅值與電機轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線可表示為

θ=0.162 2×V-7.73

(1)

式中:θ為電機轉(zhuǎn)速;V為激勵電壓峰-峰值。

在工作頻率為25.95 kHz,激勵電壓峰-峰值為310 V時,得到電機轉(zhuǎn)速與扭矩的關(guān)系如圖12所示。

由圖12可見,本文設計的電機在激勵電壓峰-峰值310 V下,最大輸出扭矩可達0.8 N·m。

4 結(jié)論

本文設計了一種壓電疊堆驅(qū)動式行波超聲電機。依據(jù)壓電疊堆小位移、大輸出力的特點,并結(jié)合位移放大機構(gòu)設計了新型驅(qū)動方式。經(jīng)過實驗測試與分析,本文設計的超聲電機在激勵信號電壓峰-峰值為310 V,驅(qū)動頻率為25.95 kHz時,其輸出轉(zhuǎn)速為42.55 r/min,最大輸出扭矩為0.8 N·m。該設計為研究新型超聲電機提供了新的設計思路,具有較高的研究意義。

通過進一步分析,本文設計的超聲電機還有以下幾點待改進:

1) 本設計中定子圓筒與電機轉(zhuǎn)子的接觸方式為線接觸,后續(xù)可在增大接觸面積以提升耦合效率的方向進行探索,進一步提高定子輸出力。

2) 電機定子與底座的固定方式使電機體積較大,后期可從小型化方面開展研究。