縱彎復合模式直線型超聲波電機研究與實驗

翁志剛

（皖西學院機械與電子工程系,安徽六安 237012）

縱彎復合模式直線型超聲波電機研究與實驗

翁志剛

（皖西學院機械與電子工程系,安徽六安 237012）

研究了縱-彎模式直線型超聲波電機的驅動機理,設計制作了一臺輸出大力矩的縱-彎復合模式直線型超聲波電機樣機,并進行了實驗測試,繪制了在一定的預壓力、預緊力和驅動電壓時候激勵頻率與速度的關系曲線,在一定的預緊力、預壓力和激勵頻率下驅動電壓與速度的關系曲線以及預緊力、激勵頻率和驅動電壓一定情況下預壓力與速度的關系曲線,并對實驗結果進行了分析。實驗結果表明,這種新型結構電機充分體現了超聲波電機良好的性能特點,特別是能輸出較大的轉矩,具有良好的應用前景。

超聲波電機;直線;縱-彎復合

引言

超聲波電機（Ultrasonic Motor,USM）是一種基于壓電陶瓷逆壓電效應原理的新型電機。其工作原理是將超聲頻率的電信號加在壓電陶瓷片上激發對應頻率的振動,通過耦合或者復合在定子端部質點形成納米級的橢圓振動軌跡,質點的橢圓運動在定轉子之間有一定預壓力的前提下,轉子被定轉子之間的摩擦力所驅動。與傳統電磁電機相比,它具有響應快、低速大轉矩、斷電自鎖、定位精度高、無電磁干擾、結構簡單等優點[1]。

以往超聲波電機基本上是單一模式的,例如縱向振動模式、扭轉振動模式或彎曲振動模式。這種電機具有結構簡單、重量輕、頻率低、頻率范圍寬等特點,在一些新的超聲應用中,對振動能量的傳播方式及作用形式提出了不同的要求,例如超聲旋轉加工需要扭轉或縱-扭復合模式,超聲馬達需要縱-彎或縱-扭復合模式,而外科手術用的超聲手術刀,則需縱-彎復合模式中的彎曲振動產生有效的側向分離力縱向振動完成組織的切除任務。另外,在一些應用的場合我們需要產生直線的運動,而利用傳統的電磁電機要獲得直線運動需要中間的轉換裝置（鏈條、鋼絲繩、傳動帶、齒條或絲桿等）,這樣就使得整個設備存在著體積大、效率低、精度低等問題,鑒于此,本文以縱-彎復合模式直線型超聲波電機作為研究對象,希望能為該類型的電機研究積累一點經驗。

1 電機驅動機理與電機結構設計

圖1 定子結構示意圖

本次設計的超聲波電機采用螺栓緊固的蘭杰文（Langevin）振子結構,如圖1所示,用一根螺栓將前蓋板、陶瓷片、后蓋板以及電極緊固在一起,這樣的結構相比較黏結的結構不僅裝配起來方便,而且可以通過螺栓來調節預緊力。中間的四片陶瓷片的極化方向和擺放方式如圖2所示,其中彎曲振動陶瓷片極化方向沿厚度方向,極化時兩個半圓的極化方向相反,這樣在陶瓷片上兩邊加同一激勵電壓時就會產生沿厚度方向一邊伸長一邊縮短,從而使定子產生彎曲。當這個電壓產生交變時,就會使定子產生相同頻率的彎曲振動。當定子越細長的時候,在定子端部的彎曲振動振幅必然也越大。縱向振動陶瓷片極化方向也是沿著厚度方向,整個圓環沿厚度方向極化方向一致,在外加交變電壓的情況下,陶瓷片沿著厚度方向伸縮,使定子端部產生上下的縱振動。在兩組壓電陶瓷片上施加兩路同頻率且相位差為90°的激勵電壓時,定子同時產生彎曲振動和軸向縱振動,則在定子端部形成橢圓運動,從而驅動移動子做直線運動。圖3所示為定子分別在縱振和彎曲振動激勵下的振型示意圖。如激勵的兩相電壓相位差為90°時電機正向做直線運動,而相位差為-90°時,電機做反向的直線運動[2][3]。

圖2 陶瓷片極化方向與擺放順序

圖3 定子的一階縱振和二階彎振振型示意圖

圖4所示為本次設計的縱-彎復合模式直線型超聲波電機的結構簡圖,一根螺栓將前蓋板、陶瓷片和后蓋板緊固在一起形成蘭杰文振子,并固定在定子固定底座上。為了保證導軌左右做直線運動,陶瓷片擺放的時候彎曲振動的片的分極分界線應該垂直圖4所示的紙面。圖中前蓋板設計成圓臺形狀的變幅桿,這樣可以放大振幅從而獲得較大的驅動力。而且采用這種連續變截面的變幅桿比突變截面的變幅桿在波以及能量的傳輸的過程中具有較小的損耗[4][5]。

圖4 設計電機結構簡圖

2 電機樣機驅動實驗

根據圖4的結構設計制作了一臺樣機。并與驅動電源、直流電源、示波器等組成試驗平臺。直流電源提供0-30V的直流電壓,超聲波驅動電源輸出頻率15-100KHz的交變信號,示波器用來監視電源輸出的信號的波型、頻率、峰-峰值等參數。

2.1 激勵頻率-速度輸出特性

在電源輸入電壓12V、預壓力為4.9N的條件下,測試了樣機的激勵頻率-速度特性。實驗測試曲線如圖5所示。

從圖5的曲線可以看出:電機的諧振頻率為25. 82k Hz附近,此時速度最大。輸入信號頻率偏離諧振頻率越大,速度越低,近似的成正態分布。但設計頻率與實際測試的系統共振頻率有一定的誤差,主要是由于加工與裝配等因素引起的,預緊力的大小對電機諧振頻率也有一定的影響。

圖5 樣機的激勵頻率-速度曲線圖

圖6 樣機的驅動電壓-速度特性曲線圖

2.2 驅動電壓-速度特性

該項實驗是在頻率為25.82k Hz與預壓力為4. 9N的條件下測試電機的輸出速度隨輸入電壓變化的情況。通過電壓調節控制電機輸出速度的變化,測得的輸出速度和電源輸入電壓之間的關系曲線如圖6所示。由圖可見,電機的輸出速度隨驅動電壓變化趨勢有明顯的近似線性關系。驅動電壓增大,輸出的速度隨之增大。根據壓電陶瓷材料的性質,由壓電系數可知,當加在它上面的電壓增大時,其變形也增大,使得整個超聲振動系統的振幅也隨之增大,引起彎曲撓度增大,從而輸出速度也會增大。

2.3 預壓力-速度特性

超聲波電機定子和轉子的接觸狀態一般取決于定轉子間預壓力大小和定子表面激勵的縱振動振幅。預壓力是影響超聲波電機輸出性能的重要參數之一。在電源輸入電壓為12V及輸入信號頻率25.82kHz條件下測試了樣機的輸出速度與預壓力關系,如圖7所示。

圖7 預壓力-速度曲線圖

圖8 轉矩-速度曲線圖

電機速度隨著預壓力的增大而上升,但當預壓力大于一定值時,電機速度隨著預壓力的增大而下降。可見,預壓力對超聲波電機的輸出特性有較大的影響。每一種超聲波電機的最高輸出速度對應不同的預壓力最佳值。

2.4 力矩-速度特性

圖8所示的是電機樣機在激勵頻率為 25. 82KHz,電源輸入電壓為12V,預壓力為4.9N的情況下電機樣機輸出力矩與速度之間的關系曲線。從圖8可看出,當電機樣機輸出的轉矩增大時速度減小,直至速度為零得到上述輸入狀態下的堵轉力矩為49.8N·mm。空載的時候電機的速度最大,電機工作的時候可以計算出摩擦力f=μN=0.403×4.9= 1.97N,其中μ為滑動摩擦因數,其大小與材料、表面粗糙度、壓力及對滑動速度有關。可見該類型電機可以輸出比較大的轉矩。

3 實驗結果分析

超聲波電機的性能既受到內部因素,如本身結構、材料等方面制約,同時也與外部因素如環境溫度、負載情況、激勵控制密切相關。本文測試實驗探討了幾個輸入參數（激勵頻率、驅動電壓、預壓力等）對電機輸出性能的影響。

3.1 激勵頻率分析

由圖5中可以看出,在驅動電源信號的激勵頻率由小到大變化的過程中,超聲波電機的輸出速度近似成正態分布的規律。超聲波電機速度的最大值對應系統的共振頻率處;偏離共振頻率時,縱振動幅值減小,從而使超聲波電機輸出速度降低。驅動電源的激勵頻率越接近諧振頻率,速度越快,當達到共振頻率時,速度最大。從頻率關系曲線圖可以看出,隨著頻率的變化,超聲波電機的速度變化比較明顯,這表明利用頻率調節超聲波電機的速度的可調范圍較小,約為1KHz范圍內。

3.2 驅動電壓分析

從電壓-速度特性曲線可以看出隨著輸入電壓的增加,輸出的速度也隨之增大,輸出的速度隨電壓值呈現近似線性變化關系,這是由于電壓增大,壓電陶瓷的逆壓電效應增強,振動幅值增大,但壓電陶瓷片的耐壓一定的限度,同時電源的變壓器也有一定的電壓上限,所以電壓變化有一個允許的范圍。由圖5中可以看到,在一定的范圍內,控制驅動電壓可以近似線性地控制電機的速度。

3.3 預壓力分析

超聲波電機的定、轉子之間所加預壓力的大小直接影響到超聲波電機的運行性能和輸出特性。當預壓力太大時,電機不能正常啟動;預壓力太小,定、轉子之間的摩擦力較小,達不到電機理想的輸出效果。預壓力分布的不均勻會使摩擦界面的接觸情況隨時間變化,產生較大的顫振和噪聲,造成輸出速度和力矩的不理想。在保證輸入電壓、驅動頻率不變的條件下,不同的預壓力有不同的輸出速度,輸出速度隨預壓力變化存在一個最大值。另外,預壓力越大,所需的驅動電壓值也越大,輸出的速度才能增大。預壓力和電壓這兩種因素相互之間是有影響的。通過調整使兩因素達到最合理的匹配,可以獲得較好的輸出特性。

綜合上述分析可知,預壓力存在一個最佳范圍,要使超聲波電機高效、穩定工作,需要合理調節所施加的預壓力值,預壓力的最優值在超聲波電機設計時應給予充分的重視。

4 結束語

本文在研究了縱-彎模式超聲波電機的驅動機理的基礎上,設計制作了一臺縱-彎復合模式直線型超聲波電機的樣機,并進行了實驗測試,繪制了在一定的預壓力、預緊力和驅動電壓時候激勵頻率與速度的關系曲線,在一定的預緊力、預壓力和激勵頻率下驅動電壓與速度的關系曲線以及預緊力、激勵頻率和驅動電壓一定情況下預壓力與速度的關系曲線,并對產生的實驗結果進行了理論分析,實驗結果表明,這種新型結構電機充分體現了超聲波電機良好的性能特點,特別是能輸出較大的轉矩,具有實際的應用前景。

[1]彭海軍,王德石,杜貽群.壓電超聲微馬達的研究新進展[J].機械設計與制造,2009,6（6）:109-111.

[2]陳強,胡敏強,金龍,等.彎縱復合大推力直線超聲波電機[J].電工技術學報,2007,22（11）:35-40.

[3]原林.縱-彎振動換能器共振特性及有限元仿真[J].甘肅聯合大學學報（自然科學版）,2008,11（6）:38-42.

[4]王時英,呂明,軋剛.圓錐過渡復合變幅桿動力學特性研究[J].太原理工大學學報,2007,38（2）:95-97.

[5]姚志遠,楊東,趙淳生.桿結構直線超聲電機的結構設計和功率流分析[J].中國電機工程學報,2009,29（24）:56 -60.

Research on Linear Ultrasonic Motor Using Longitudinal-Flexural Modes

WENG Zhi-gang

（Mechanical and Electronic Engineering Department,West Anhui University,L u’an237012,China）

The paper studied the driven mechanism longitudinal-bending mode ultrasonic motor,designed a longitudinal-bend complex model linear ultrasonic motors,and conducted laboratory tests have drawn a certain pre-pressure,preload,and drive voltage when the excitation frequency and the velocity curve,in a certain preload,pre-stress and motivate frequency drive voltage and speed curves as well as the preload force,excitation frequency and driving voltage under certain circumstances,the pre-pressure and velocity curve and the experimental results were analyzed,the results show that the new structure fully reflects the motor performance characteristics of ultrasonic motor,especially the larger torque can be output,there is experimental application prospects.

ultrasonic motor;linear;longitudinal-flexural

TM356

A

1009-9735（2010）02-0079-04

2009-12-11

翁志剛（1984-）男,安徽六安人,皖西學院機電與工程系教師,碩士,研究方向:機械系統設計與研究。