一種圓筒型轉子的中空型超聲電機的研制

王 楠,陳 超，陳金燕

(南京航空航天大學 機械結構力學及控制國家重點實驗室, 江蘇 南京 210016)

0 引言

超聲電機利用壓電陶瓷逆壓電效應激發彈性體的受迫振動，通過定、轉子的摩擦作用將定子的微觀振動轉化為轉子的宏觀直線運動或旋轉運動。與傳統電磁電機相比，其具有低速大力矩、無電磁干擾、位移分辨率高及結構緊湊等特點[1]，在精密驅動，航空航天等領域應用前景好,近年來發展很快。但隨著應用領域的不斷推廣，也出現了一些局限，如某些飛行器舵機需要電機具有中空結構，而現有超聲電機以實心軸輸出為主。這使電機在系統集成過程中總需要一系列的中間傳動機構進行輸出，系統體積和質量變大，且電機的輸出速度和系統效率降低。雖已有學者提出中空型超聲電機模型[2]，但目前中空電機大多在現有超聲電機的基礎上將空心轉子與原實心軸融合設計。采用中空轉子進行力和速度的輸出(內圈輸出)，不方便前、后零部件的安裝，且易隔斷前、后零部件。因此，本文提出了一種新型的圓筒型轉子的中空超聲電機，同屬于旋轉行波型超聲電機。該電機采用空心結構，外圈轉子直接完成轉速與轉矩的輸出，使用過程無需中間傳動機構，提高了工作效率。分析其工作機理，利用有限元軟件Ansys對定子結構進行模態計算和諧響應分析，進一步優化了定子結構尺寸，確定其最佳工作模態頻率;制作了原理樣機，并進行了相關的實驗研究。

1 電機結構及工作原理

1.1 電機結構布局

圖1為外圈輸出的中空型超聲電機的結構示意圖。在現有行波型超聲電機的基礎上，定子取消了固定內環，進一步擴大空心結構，使腹板尺寸更短，抗過載能力有一定提高。轉子采用剛性轉子可保證定、轉子的接觸寬度以增大定、轉子間的實際接觸面積，提高工作效率。轉子通過鎖緊螺母、碟簧、軸承和摩擦片壓緊在定子齒面上，并完成二者間預壓力的施加。該設計結構簡單，中心孔可用于穿過信號線、電源線、光路及完成零部件的安裝與固定[3]。該中空型超聲電機直接通過轉子進行轉速和轉矩的輸出，且轉子可根據應用場合的實際情況進行結構融合設計，不需中間傳動機構，進一步提高了工作效率，擴大了應用范圍。

圖1 中空型超聲電機結構示意圖

1.2 電機工作原理

該中空型超聲電機選用的壓電陶瓷片為環形壓電陶瓷，沿厚度方向極化，分為A、B兩相，這兩相在空間上適當布置。壓電陶瓷的極化和配置方式如圖2所示。

圖2 壓電陶瓷的和配置方式

當A、B兩相施加相位差為90°的同頻等幅交變電壓時，在定子中會激發出兩相幅值相等、時間、空間均相差90°的駐波[4]，兩相振型如圖3所示。

圖3 B09模態A、B相振型

兩相駐波疊加后形成沿某一方向傳播的行波，定子的齒狀表面各質點會分別形成橢圓軌跡，在定、轉子間預壓力的作用下，將定子的微觀振動轉換為轉子的旋轉運動。電機運行機理如圖4所示。通過定、轉子間的摩擦作用帶動轉子旋轉，從而輸出一定的轉速和轉矩。

圖4 電機運動機理圖

2 定子結構設計與優化

定子是整個電機的核心部分，其完成能量的轉換，并通過摩擦驅動轉子轉動，從而進行機械性能的輸出[5]。原實心軸超聲電機定子通過定子固定內環固定在底座上，由于本文所述電機為中空結構，腹板尺寸較小，所以對定子的夾持方式進行了重新設計。本設計以實心軸超聲電機定子為原型，取消了固定內環，通過一個開有內螺紋的壓緊套筒對定子進行軸向固定，同時在遠離定子齒的腹板面開有六邊形凹槽，與中空底座上的六邊形凸臺相配合對定子進行周向限位。本文將定子結構尺寸分為基體厚度L1、腹板高度L2、定子齒高L3和凹槽深度L44部分，如圖5所示。

圖5 定子結構圖

利用Ansys軟件對定子進行建模，并采用六面體主導的多分區方法進行網格劃分。然后進行參數化的模態分析[6]，分別確定各結構尺寸對B09模態頻率的影響趨勢。求解過程發現，B09模態前后始終存在兩干擾模態，如圖6所示。

圖6 B09模態前后一階干擾模態

確定定子最佳工作模態時，首先采用攝動法,即改變尺寸的1%[6]，求解得到上述結構尺寸對B09模態及其前后兩干擾模態的靈敏度，如圖7所示。

圖7 模態頻率對結構尺寸的靈敏度

由圖7可看出，L1、L3對B09模態影響較大，L2、L4對干擾模態影響較小。通過優化L3、L2、L1等結構參數，進而獲得較大的速度因子及較好的工作模態，最終確定其主要尺寸如表1所示。

表1 定子的主要參數

3 轉子結構設計

提出的圓筒型轉子的中空型超聲電機，其工作結構(舵翼)與電機轉子是一體設計的。本文所述轉子采用剛性結構，如圖8所示。定子與轉子間的預壓力通過鎖緊螺母、碟簧、軸承施加。在飛行器發射過程，中空底座通過六邊形凸臺給定子提供向上加速度，定子推動轉子向上加速，柔性轉子腹板太薄，在高沖擊環境下的表現差。而剛性結構使定、轉子間的接觸狀況更好，即使在高過載的情況下，定、轉子也能保證較好的接觸寬度[8]，如圖9所示。這提高了二者間的接觸摩擦力，使電機轉速、轉矩的輸出更平穩，有利于提高電機壽命。此外，本文采用通過碟簧和剛性轉子施加預壓力的方式會提高電機的抗過載能力得到。

圖8 轉子結構圖

圖9 高過載下定、轉子接觸示意圖

4 實驗研究

根據設計的結構，優化并確定各尺寸參數后制作了原理樣機，如圖10所示。該樣機的外形尺寸為?60 mm×70 mm，質量約為400 g。

圖10 電機實物圖

4.1 定子模態實驗

本文作者對加工好的定子進行了測振實驗，利用PSV多普勒激光測振儀分別對A、B相進行掃頻，定子兩相的幅頻特性曲線如圖11所示。

圖11 定子A、B相頻率響應特性

A、B兩相B09模態頻率與前、后干擾模態頻率對比如表2所示。由表可知，該模態遠離干擾模態，滿足設計要求。定子A、B相被激發出B09模態時的頻率分別為39.67 kHz、39.68 kHz，兩相頻率差為10 Hz，可滿足頻率一致性要求[9]。B09模態下定子頂端質點的振幅為2.078 μm，速度幅值為0.5 m/s，與仿真結果相仿。

表2 工作模態與干擾模態對比

4.2 電機性能測試

對裝配好的電機設計并搭建了相應的測試平臺，如圖12所示。進行了一系列的性能測試，繪制了電機的負載特性曲線，如圖13所示。該中空電機在激勵電壓峰-峰值450 V、頻率40.2 kHz時，空載轉速可達208 r/min，堵轉力矩可達0.35 N·m。

圖12 中空型超聲電機性能測試平臺

圖13 中空型超聲電機的負載特性曲線

5 結束語

針對某些飛行器舵機等控制系統，要求超聲電機具有中空結構和一定的保持力矩等特定工程，本文設計了一種圓筒型轉子的中空型超聲電機。分析其工作機理，利用有限元軟件Ansys對定子結構進行建模和尺寸優化，確定了最佳尺寸。加工了原理樣機，進行了一系列的性能測試。實驗表明，該中空電機在激勵電壓峰-峰值450 V，頻率40.2 kHz時，空載轉速可達208 r/min，堵轉力矩可達0.35 N· m，可滿足實際的工程需要。