斜槽式模態轉換型縱扭超聲波電動機的研究與實驗

張 輝，洪尚任，胡 丹，喬 木

(華僑大學，福建泉州362021)

0 引 言

縱扭復合型超聲波電動機是超聲波電動機中一個重要類型，它主要利用定子的縱向振動和扭轉振動復合來使定子的驅動端面產生橢圓運動。最早是在1988年，東京工業大學的上羽貞行利用層疊型振子沿軸向具有大變形的特點，結合扭轉振子研制成功的縱扭復合型超聲波電動機［1］。本文主要是利用模態轉換提出了一種斜槽式模態轉換型縱扭超聲波電動機，該類電機與其他超聲波電動機相比，具有結構簡單且僅需單相激勵，設計制作了樣機，并進行了實驗測試及分析。

1 驅動原理與電機結構

1.1 驅動原理

斜槽式模態轉換型縱扭超聲波電動機是通過激勵壓電陶瓷片的厚度振動模式產生縱向振動。定子示意圖如圖1所示，第一部分表示縱向振動夾心式壓電換能器，第二部分為斜槽式傳振桿，當縱波傳到斜槽位置時，由于斜槽的存在使其發生了轉換，并使得斜槽界面后邊的傳振桿產生了扭轉振動，最后在定子端面合成橢圓運動，驅動轉子運動［2］。

圖1 電機定子幾何示意圖

在理想狀態下，把定子展開為平面，斜槽對縱波σ1的作用如圖2所示，斜槽反射出縱波σ2和橫波τ2。由于兩斜槽平行且距離遠遠小于其波長，所以縱波σ2與橫波τ2在斜槽間產生疊加。應力波的疊加在軸向和圓周方向產生振動分量，疊加后的應力波傳播至傳振桿的輸出端產生復合振動。圖3表示縱波σ1以入射角α入射，所以反射縱波以反射角α反射。反射橫波以反射角β反射。取一微小段斜槽斜面為自由面，那么入射縱波σ1反射縱波σ2和反射橫波τ2的應力狀態［3］如圖3所示。

圖2 斜槽對縱波作用示意圖

圖3 縱波反射后的應力狀態示意圖

斜槽式模態轉換型縱扭超聲波電動機兩個具有相近頻率的工作模態在空間和時間上都具有一定的相位差(在振動方向上正交)，使得定子與轉子接觸界面上的質點產生橢圓運動，推動轉子運動。

1.2 電機結構［4－5］

圖4為本文提出的斜槽式模態轉換型縱扭超聲波電動機的裝配圖。電機主要有定子、轉子、底座和預緊螺栓等構成，其中的定子主要有帶有斜槽的前蓋板、壓電陶瓷片和后蓋板組成。圖5為本文研制的樣機照片，底座為硬鋁，定子和轉子為45號鋼，使用的壓電陶瓷片是PZT8，其尺寸為外徑20 mm、內徑7 mm、厚 度3 mm。壓電陶瓷片為圓環狀的縱振陶瓷片，它利用壓電陶瓷沿厚度方向的伸縮振動模式(TE)來激發定子的縱振模態，即利用壓電陶瓷的d33效應。

圖4 電機裝配圖

圖5 電機樣機照片

利用ANSYS對縱扭模式分析，取頻率為40 kHz，分析結果如圖6和圖7所示，由分析可知扭振頻率為40.918 kHz，縱振頻率為41.934 kHz，頻率差為1.016 kHz，在2 kHz之內，兩種振動模態頻率能保持一致性。

圖6 一階縱振模式分析

圖7 二階扭振模式分析

2 實驗測試及分析

圖8為本實驗室的超聲波電動機實驗平臺。該實驗臺由示波器、直流電源、超聲波電動機控制器和樣機構成，我們對電機的輸出特性進行了以下測試。

圖8 超聲波電動機試驗平臺

2.1 激勵頻率與轉速特性

在工作電壓為380 V、預壓力0.44 N的條件下，測試了電機的激勵頻率－轉速特性，實驗測試的曲線如圖9所示。

圖9 激勵頻率與轉速曲線圖

由上圖可以看出，超聲波電動機的輸出轉速由零逐漸增加到最大值，再減小到零。超聲波電動機轉速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，從而使超聲波電動機輸出轉速降低。驅動電源的激勵頻率越接近諧振頻率，轉速越快，當達到共振頻率時，轉速最大。

從頻率關系曲線圖可看出，隨著頻率變化，電機轉速變化不是很明顯，這表明利用頻率調節電機轉速的范圍較廣，約為2 kHz。實測結果與計算結果存在一定的偏差，原因主要有以下幾點:(1)縱振子與扭振子的諧振頻率不一致;(2)樣機材料參數的實際值與計算值有差異;(3)電火花加工斜槽時，制作工藝粗糙，精度不夠導致扭轉模態轉換效率低。

2.2 預壓力與轉速特性

在輸入頻率為40.45 kHz，工作電壓為380 V的條件下，測試了超聲波電動機的輸出轉速隨預壓力的變化曲線，如圖10所示。

圖10 預壓力與轉速曲線圖

超聲波電動機的轉子通過一定的預壓力與定子緊密接觸，才能產生足夠維持轉子旋轉的摩擦力。從圖10可以看出，預壓力0.44 N時樣機的運行效果較好。電機的轉速達到最大值。從實驗曲線圖可以看出預壓力，變化對電機轉速的影響較大，隨著預壓力的增加，樣機的最高轉速明顯提高，當預壓力增加到一定值時，樣機轉速迅速降低。這說明要提高電機的轉速，應選擇適合的預壓力，過大或過小都不利于電機轉速的提高。因此，預壓力的最優值在電機的設計中應給予充分的重視。但由于預壓力的變化對電機內部性能的影響太多(如縱、扭諧振頻率的影響)，不適合作為電機調速的參數。

2.3 驅動電壓與轉速特性

在給定輸入頻率為40.45 kHz，定轉子間的預壓力為0.44 N時，超聲波電動機的驅動電壓與轉速關系曲線圖如圖11所示。

圖11 驅動電壓－轉速曲線圖

從圖11中可看出，隨著輸入電壓增加，電機轉速增大，輸出轉速隨電壓變化曲線近似線性關系，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。當電壓增至一定值時，振動幅值趨于飽和，轉速不再有大的變化。但由于驅動電源設計的問題，實驗中未能測得電機的最高轉速對應的最大輸入電壓，據以往的經驗，電機的驅動電壓也應該存在一個極值。

在實際應用中，由于驅動電壓受到壓電陶瓷本身因素的限制，不能太低，電壓太低不易起振，驅動不了電機;驅動電壓也不能太高，否則超過壓電陶瓷的極限電壓時，介電損耗會增加，其輸出效率太低，另一方面電壓太高還有可能會燒壞壓電陶瓷或者驅動電源。

3 結 語

本文研制出一種斜槽式模態轉換型縱扭超波聲電動機，分析了驅動原理，并進行了實驗測試。試驗結果表明電機在工作電壓為380 V、預壓力為0.44 N、激勵頻率為40.45 kHz時，電機的轉速為最大轉速為15.6 r/min。由于這類電機結構簡單且單相激勵，具有良好的實用前景。

［1］ 趙淳生.超聲電機技術與應用［M］.北京:科學出版社，2007.

［2］ 林書玉.超聲換能器的原理及設計［M］.北京:科學出版社，2004.

［3］ 皮鈞.圓環斜槽傳振桿的縱扭振動轉換［J］.機械工程學報，2008，44(5):242－248.

［4］ 胡丹.斜槽式縱－扭復合模式超聲電機的研究與設計［D］.華僑大學，2009.

［5］ Tsujino J，Suzuki R，Takeuchi M.Load characteristics of ultrasonic rotary motor using a longitudinal－torsional vibration converter［J］.Ultrasonics，1996，34:265－269.