新型碗狀超聲波電動機的研究

王晉軍，任一峰，劉倩倩,楊建旭

(中北大學，太原 030051)

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新型碗狀超聲波電動機的研究

王晉軍，任一峰，劉倩倩,楊建旭

(中北大學，太原 030051)

針對一類定子結構不確定的超聲波電動機，基于壓電陶瓷片的逆壓電效應，構造出一種碗狀型的新型超聲波電動機。通過對壓電換能器尺寸的設計與調整，從而使電機的部分性能得到優化。利用ANSYS有限元分析的方法對超聲波電動機壓電換能器進行模態分析和諧響應分析。建立以諧振頻率和預壓力為超聲波電動機基本性能測評標準，并通過實驗來驗證設計的準確性。

超聲波電動機；壓電陶瓷片；壓電換能器；ANSYS有限元分析

0 引 言

為了克服傳統電機功率密度低、起動停止控制性能差、定位精度比較低、噪聲大等缺點，人們研發出一種具有速度快、輸出力矩大的小型超聲波電動機[1-2]。超聲波電動機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應在定子的某個頻率段產生微觀振動，從而利用定子與轉子之間的摩擦來驅動轉子旋轉或做直線運動[3-4]。旋轉型超聲波電動機與直線型超聲波電動機逐漸取代了大型傳統電機，成為社會發展的趨勢。在照相機、攝像機、汽車門窗、精密驅動平臺中都需要小型超聲波電動機作為驅動電源。本文研究一種碗狀型超聲波電動機，它是基于棒板復合型超聲波電動機的基礎上改造出半徑越小、厚度就越低的一種壓電陶瓷片。與棒板復合型超聲波電動機比較，這種碗裝型超聲波電動機在交流信號的作用下，有效地增加了壓電陶瓷片定子的接觸面積，使其共振效果達到最佳狀態。本文研究碗狀型超聲波電動機，它具有結構簡單、成本低等優點，易實現超聲波電動機的產業化[5]。本文采用了有限元仿真軟件對直徑為2 mm的行波型微特電機進行模態分析、諧響應分析，并得出了振動的固有頻率。

1 碗狀型超聲波電動機結構模型與壓電陶瓷片結構設計思想

碗裝型超聲波電動機主要元器件有轉子、定子、壓電陶瓷片、軸、墊片。利用壓電陶瓷片的逆壓電效應，設計出半徑越小厚度略低，并且施加兩相相位差90°的交流信號，從而使壓電換能器定子的運動軌跡為橢圓運動。這個碗狀型超聲波電動機的壓電陶瓷片是在棒板復合型壓電陶瓷片的基礎上改裝而成的，上表面略向下傾斜有利于在共振頻率作用時取得較大的振動幅度，從而產生較大的摩擦力。最終達到最大的驅動速度[6-7]。圖1為壓電陶瓷片設計結構，圖2為超聲波電動機的整體組裝圖和壓電陶瓷的極化激勵方式。

圖1 壓電陶瓷片設計

圖2 超聲波電動機結構模型與壓電陶瓷片極化方式

2 有限元仿真

將壓電換能器這個機械結構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絡劃分。在有限元中分析壓電換能器的機械結構已不是原有的實體模型，而是同樣性質的材料由許多個體單元以一定方式組成離散物體。如果劃分方式合理，且劃分單元數量達到一定程度時，則仿真結果與實際情況符合。

將整個實體模型劃分網格后，壓電換能器通過一些離散的點連接起來，因此，作用在壓電換能器上的力都可以等效到節點上。對劃分后的網格單元施加邊界條件，使其按照一定的規律組合起來，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為節點矩陣；e為壓電矩陣。

定義材料的性能參數,如表1所示。

表1 定子電極片與壓電陶瓷參數

設計壓電陶瓷陶片外層厚度h1=1.25 mm，內層厚度h2=0.75 mm[8-9]。

壓電陶瓷的剛度矩陣如下：

(2)

節點矩陣如下：

可得壓電矩陣：

(4)

壓電換能器設計結構和有限元映射網絡劃分結果如圖3所示。

圖3 壓電換能器的結構設計與網絡劃分

模態分析是壓電換能器在某個頻率下的振動情況，從而初步確定壓電陶瓷片最佳振動頻率(不會導致壓電陶瓷片發生畸變)。通過對壓電換能器進行模態分析，可以在結構上減小共振的情況下，使它的輸出效果達到最優，有利于在諧響應分析和瞬態分析中優化參數，縮短計算時間。采用分塊Block Lanczos 法提取模態特別有效。在壓電換能器的模態分析中對壓電陶瓷片的四個區域面上所有的節點施加電壓為0的位移約束，而那些非零載荷的自由度約束，在求解的時候被軟件自動忽略掉，這就是我們施加力，壓力，溫度，即加速度但在模態提取中，經常反映不出來的原因。模態分析短路狀態下程序：

/SOLU

ANTYP ,MODAL

MODOPT,LANB,15,0,100000 定義分塊LANCZOS法

MXPAND,15 擴展模態數為15

ASEL，S，，，5 壓電陶瓷片面5短路

NSLA，S,1 選取面5上所有的節點

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 選取所有的節點

SOLVE 求解

對壓電換能器進行模態分析，得到最佳頻率下的模態位移矢量圖，如圖4所示。

圖4 模態分析矢量圖

在模態分析中得到定子的低階振動模態，與機械學計算出來的結果基本相吻合。壓電陶瓷片通過縱向振動來帶動轉子做橢圓運動，找到共振頻率為23 442 Hz。

諧響應分析是在外加連續的的交流信號作用下產生連續的周期響應，來確定壓電陶瓷片水平方向上的振動位移與頻率之間關系的一種新技術[10]。本文通過給兩相壓電陶瓷分別施加正弦與余弦兩相交變電壓時，分別激發出前后的一階彎曲振動和左右方向的一階彎曲振動，由于在相位上相差90°，所以定子可以合成繞軸線運動的橢圓軌跡，從而通過定、動子之間摩擦驅動動子做旋轉運動[11]。在諧響應分析中取阻尼系數大小是0.003，電壓信號的幅值是100 V。諧響應分析的程序如下：

/SOLU

ANTYPE,HARM 定義分析類型諧響應分析

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的所有節點

NSLA，S,1

D,ALL,VOLT,100 給面5施加100V的電壓

ASEL，S，，，20 選取面 20的所有節點

NSLA，S,1

D,ALL,VOLT,100 給面20施加100V的電壓

SOLVE 求解

/POST26 進入時間后處理器

NSOL,2,NDISP，u，y 定義變量2

/AXLAB,X,Frequency/Hz

/YXLAB,Y,Displacement/m

Prvar，2

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

圖5 y方向諧響應分析圖

在共振頻率為20 000 Hz的情況下，定子水平位移達到了最大值，為16 μm。所以本文設計的壓電微電機定子共振頻率是20 000 Hz,在這個頻率下，壓電換能器的工作效果達到最佳狀態。但是，在實際使用過程中定子與壓電陶瓷片的粘結情況會影響超聲波電動機的傳輸效率。為了使電機更好的工作，我們必須對不同的粘結材料進行比較，并選取比較適合的黏貼劑。

3 實驗結果及分析

通過螺釘和轉軸上的彈簧給超聲波電動機的定子施加預壓力，利用波形發生器產生一個正弦波信號，用功率放大器對信號進行放大。利用PSV-300F-B激光掃描測振儀對電壓激勵下壓電換能器定子表面諧響應譜進行掃描，在可移動平臺上測試電機的扭矩和速度。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譜分析結果得出：在頻率為25 000 Hz時，定子振幅達到最大。即這種碗狀型超聲波電動機的最佳工作頻率為25 000 Hz。而在有限元分析結果中，理論的工作頻率為23 442 Hz,所以測振儀得出的結果與有限元分析的結果相差1.7 kHz。這些值可以驗證有限元仿真的精度，但是由于粘貼和加工工藝不同，導致了仿真結果與實際的共振頻率有一定的差距。所以在共振頻率達到25 000 Hz時，電機運轉速度達到220 mm/s。

4 結 語

本文設計了一種碗狀型超聲波電動機，并且通過壓電陶瓷片的改造，從而達到改善轉換效率的目的。通過在壓電陶瓷片的四個分區施加相位相差90°的正弦交流信號，使得定子在水平方向上的位移變化比較大，驗證了碗狀型超聲波電動機的可行性。

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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

山西省高校創新項目(2012307)

TM359.9

A

1004-7018(2016)03-0011-03