旋轉行波超聲電機性能提升技術進展

安大偉，張建輝，薛昊東，寧青雙，黃衛清

(廣州大學 機械與電氣工程學院，廣東 廣州 510006)

1 引 言

超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將定子超聲頻段內的微觀振動轉化為動子的宏觀運動的一種新型微特電機，具有低速大扭矩、響應速度快、結構緊湊、無電磁干擾等優點[1-8]。1983年Sashida首次提出行波驅動型超聲電機，通過壓電振子上質點的行波運動驅動滑塊直線運動，設計了環梁式和直梁式兩種直線電機方案。1987年，Ishe等在Sashida的基礎上提出了旋轉行波型聲波電機，其定子采用梳齒結構來放大定子質點振幅，顯著提升了電機的輸出功率及輸出效率。我國對超聲電機的研究始于20世紀80年代末，清華大學周鐵英等于1989年申請了國內首項關于超聲電機的發明專利。1995年，趙淳生等研制出結構完整、可實際應用的旋轉行波超聲電機，并積極推進超聲電機的產業化[9]。目前，超聲電機已廣泛應用于鏡頭調焦系統、激光系統、微型機器人及航天產品等精密驅動領域[10-17]，其相關研究在美國、日本、中國、新加坡等多所科研機構也在持續開展，涉及到超聲電機的機理分析、結構改進、新材料應用、溫升影響、預壓力影響、頻率漂移及雙行波驅動等諸多領域。

2 運行機理

旋轉行波超聲電機為環形結構，是目前研究和應用最多的超聲電機。傳統旋轉行波超聲電機的定子由金屬彈性體及壓電陶瓷環片構成，金屬彈性體上端面采用梳齒結構用以放大定子振幅，壓電陶瓷片粘貼在金屬彈性體下端面，相鄰壓電陶瓷片極化方向相反且被分為對稱的兩個分區，兩個分區之間有λ/4的空間相位差，其中λ為彈性波波長。轉子由金屬彈性體及摩擦層材料組成，通常分為剛性轉子及柔性轉子。Hagedorn等對旋轉行波超聲電機的工作機制及數學建模進入了詳細探討[18-19]，為超聲電機的變型設計及相應機理分析奠定了理論基礎。

2.1 定子上行波的合成

根據壓電陶瓷的逆壓電效應，當對定子上其中一個分區的壓電陶瓷施以正弦電壓激勵時，定子彈性體被激發產生駐波振動，定子質點的駐波振動位移ξs如式(1)所示：

ξs(x,t)=ξ0cos(kx)cos(2πft)，

(1)

其中：ξ0是駐波的位移幅值，k=2π/λ，f是激勵電壓頻率。當另一分區的壓電陶瓷被相同頻率、相位差為π/2 的另一路正弦電壓激勵時，定子彈性體中的兩相駐波振動將合成為行波振動，定子質點的行波振動位移ξt如式(2)所示：

ξt(x,t)=ξ0cos(kx-2πft).

(2)

2.2 質點的橢圓運動

當定子處于行波振動狀態時，其表面質點的軸向位移wz和周向位移wx可分別表示為：

wz(x,t)=Wzcos(kx-2πft)，

(3)

wx(x,t)=Wxcos(kx-2πft)，

(4)

其中：Wz是定子表面質點的軸向位移幅值，Wx是定子表面質點的周向位移幅值。結合式(3)和式(4)，定子表面質點在XOZ平面上的運動符合橢圓運動規律如式(5)所示：

(5)

2015年，Mashimo等通過高速顯微鏡系統實時測得了定子表面質點的軸向與周向位移[20]，從時域角度用實驗方法驗證了旋轉行波超聲電機定子質點的橢圓運動機制。

2.3 接觸界面的摩擦驅動

旋轉行波超聲電機的驅動力由接觸界面間產生的摩擦力提供。當定子在其諧振頻率附近發生高階振動時，位于波峰附近的定子表面質點對轉子摩擦層產生擠壓作用，摩擦層受到的軸向分布力與預壓力的關系如式(6)所示：

(6)

其中：n是定子周向上產生的波數，a是單個波長內定轉子接觸長度的一半，F0是摩擦層所受到的正弦軸向分布力的幅值，FN是對電機施加的預壓力。根據赫茲接觸理論，電機的輸出扭矩如式(7)所示：

M=(min(Fd,Fs)-Fr)r=(μs-μr)FNr，

(7)

其中：M是電機的輸出力矩，Fd是定子接觸質點對轉子的驅動力，Fs是接觸界面間的靜摩擦力，Fr是接觸界面間的滾動摩擦力，r是轉子的有效半徑，μs是接觸界面的靜摩擦系數，μr是接觸界面間的滾動摩擦系數。

3 結構優化與新材料應用

旋轉行波超聲電機通過定子的微幅振動驅動轉子運轉，為了進一步提升電機的輸出性能及運行穩定性并推進電機的微型化、輕質化發展，不同結構形式及應用新材料的超聲電機被陸續研究。

3.1 電機的結構優化

自20世紀90年代起，為了解決傳統超聲電機摩擦損耗的問題，研究者嘗試設計了非接觸型超聲電機，通過定子與轉子間的流體層傳遞扭矩[21-22]。該型超聲電機避免了定子與轉子間的摩擦接觸，具有壽命長轉速高的特點，但是其輸出力矩較小，沒有停機自鎖能力。2010年，Chen等利用壓電陶瓷的d33模態提出了將壓電陶瓷疊堆與預壓彈簧交替嵌套在定子環上[23]。2013年，Lu等設計了雙定子環的旋轉行波超聲電機，通過在兩個定子之間均勻布置4個彎曲模態的蘭杰文振子來激勵兩個定子分別產生高階行波，進而驅動兩個轉子運轉[24]。這兩種新型電機較傳統旋轉行波超聲電機具有更優的輸出性能及環境適應性，但在其提高電機輸出功率的同時也增大了電機的設計尺寸，不利于超聲電機的微型化發展。2015年，Peng等提出了一種新型的雙轉子夾持單定子的旋轉行波超聲電機結構[25]，其定子采用壓電陶瓷塊嵌套環形布置，定子基體創新性地采用了PCB板制作，便于驅動控制電路的集成化設計，然而由于其基于B03振動模態，定轉子接觸區域有限，輸出扭矩較小。2016年，Mohd Romlay等通過結構修正使定子中性面下移以提高定子表面質點的振動幅度[26]，進而提高了超聲電機的輸出性能。2019年，Zhang等提出了一種簡單易行的優化定子梳齒結構的方案，通過減小摩擦角來降低接觸界面徑向滑移進而減低能量損耗，并通過實驗驗證了定子結構優化后的電機效率可達44.3%，遠高于定子結構優化前的電機效率25%[27]。

3.2 電機的新材料應用

超聲電機的壓電陶瓷片通常采用PZT材料,其工作溫度范圍在-40～100 ℃，適用于多數民用工程領域，而深空探測等極端工況對超聲電機的環境適應性提出了更為苛刻的要求。2005年，Dong等將PMN-PT單晶材料應用于直線超聲電機[28]，在超低溫環境中表現出了較好的運行性能及穩定性，該項目獲得了美國NASA的基金支持。由于新型單晶材料更為優異的材料屬性及環境適應性，用其替代傳統PZT壓電材料的新型超聲致動器被相繼研發[29-32]，展現了超聲電機的發展潛力。

超聲電機的定轉子通常采用金屬材料制造，2015年，基于PPS材料低密度、低彈性模量、低機械損耗的特點，Wu等首次利用PPS材料制作了輕質化定子，并采用不同材料制作轉子，通過實驗研究其最佳匹配性能[33]，該方案可顯著減小微機械系統的質量并提高其可操作性。隨后，基于有機材料的超聲電機得到了持續研究[34-35]，這種非金屬材質定子的出現為超聲電機的微型化、輕質化發展開辟了嶄新的研究方向，使其應用場景有望向重視生物兼容性的醫療器械領域延伸。

4 驅動頻率漂移

旋轉行波超聲電機的驅動頻率與定子諧振頻率一致。在實驗研究中發現，隨著超聲電機運行時間的增加，驅動頻率會偏離定子原有的諧振頻率，且預壓力的變化也會引起超聲電機驅動頻率的漂移。

4.1 溫升控制與頻率漂移

由于摩擦損耗、阻尼損耗和介電損耗的存在，超聲電機會隨著運行時間的增加產生明顯的發熱現象，從而引起其驅動頻率漂移，輸出功率下降[36]，嚴重影響了超聲電機的運行穩定性及可操作性。2011年，Lu等對旋轉行波超聲電機的溫度場進行了暫態及穩態研究[37]，通過理論分析、有限元仿真及實驗驗證等方法，指出了電機的最大溫度點位于定轉子接觸界面且依賴于摩擦層的導熱系數。此外，文章也探討了溫度場與電機尺寸、室溫、環境真空度的關系。2014年，Li等提出了基于電機反饋電壓、壓電陶瓷介電常數、壓電陶瓷介電損耗因子等自變量的溫升預測模型[38]，為減少超聲電機熱損耗、改進電機控制策略、提高電機的可靠壽命提供了重要指導。2014年，為解決超聲電機由于溫度升高而引起的性能下降、不能連續工作等問題，Ou等從熱傳導的角度設計了水冷式電機基座[39]，使超聲電機溫度在上升22 ℃時達到飽和，有效抑制了超聲電機的溫升現象，為實現超聲電機的連續可靠運轉提供了明確解決方案。

4.2 變預壓力與頻率漂移

預壓力是確保定轉子良好接觸、電機穩定運行的關鍵性參數。2007年，王光慶等首次提到超聲電機預壓力變化對定子諧振頻率的影響[40]，并在接下來的研究中進一步探究了預壓力與電機噪聲特性、溫度特性及壓電陶瓷夾持電容的關系[41]，指出隨著預壓力的增加，壓電陶瓷夾持電容隨之減小，電機噪聲強度隨之降低。同時，隨著預壓力的增加，超聲電機的飽和溫度會隨之升高，使電機定轉子的摩擦損耗加劇，壽命降低。2010年，周盛強等利用三維點點接觸單元建立了旋轉行波超聲電機穩定工作時接觸界面的空間域模型，模擬分析了預壓力、定子振幅、摩擦材料特性對電機性能的影響[42]。2014年，張煒等用有限元方法從模態分析的角度研究了預壓力與定子諧振頻率的變化關系[43]，再次指出了預壓力與諧振頻率的單調遞增關系，但仍然未能對其中的作用機理做出理論解釋。2019年，Mustafa等利用最小驅動電流與最大驅動效率一致的特點，采用極值搜尋控制技術實現了對旋轉超聲電機最優效率的穩定跟蹤。并通過增加預壓力動態調控系統來實現對電機輸出功率的調節[44]。

5 雙行波驅動技術

傳統旋轉行波超聲電機由定子的質點振動擠壓轉子產生驅動力使電機運轉，基于結構改進、新材料應用、溫度控制、預壓力調節等方法可以在一定程度上提高電機輸出性能，但其性能提升幅度有限，并未能從根本上解決超聲電機輸出功率小、能力轉換效率低的問題。2004年，Bai等首次提出了基于定轉子雙激勵的雙旋轉行波超聲電機概念[45]，指出通過對定轉子分別施加電壓激勵可以在定子及轉子上分別產生兩相行波，電機的轉速可由兩相行波的頻率差來確定，然而該研究并未對定轉子接觸界面的驅動機理進行詳細探討。2016年，Dong等詳細介紹了定轉子雙激勵的雙旋轉行波超聲電機的設計方法，并從質點橢圓運動機制、赫茲接觸理論等角度詳細分析了雙行波驅動的內在機理[46-47]。同時采用有限元方法對定轉子模態進行分析，通過樣機輸出性能試驗指出雙振子激勵的雙旋轉行波超聲電機的輸出功率顯著大于單振子激勵時的旋轉行波超聲電機。然而，這種雙旋轉行波超聲電機由于需要對兩個振子分別施加電壓激勵，在提高輸出功率的同時其輸入功率也倍數增加。因此，其能量轉換效率并未提高。且該型電機因對轉子施加電壓激勵而額外引入了電刷裝置，使電機本體及其驅動電源設計復雜度增加、體積增大，極大限制了其在精密驅動領域的推廣應用。2017年，An等通過對電機轉子振型的研究提出了諧振轉子的概念，指出諧振轉子具有與定子相同的諧振頻率與振動模態，采用電機定子的質點振動作為激勵源可以在諧振轉子上產生相同振型的行波[48]。文中通過理論推導分析了其定轉子接觸界面的驅動機理，設計了采用諧振轉子的無刷單振子激勵雙行波驅動旋轉超聲電機。通過樣機輸出性能試驗，其輸出轉速是采用普通轉子的傳統行波超聲電機的兩倍，且其輸出扭矩較采用普通轉子的旋轉行波超聲電機也有明顯提高。此外，由于該設計采用單振子激勵，在提高電機輸出功率的同時并未增加其輸入功率，有效提高了電機的能力傳輸效率，且采用了無刷電機的結構，保持了傳統旋轉行波超聲電機結構緊湊的優點。

6 展 望

隨著旋轉行波超聲電機內部運行機制的逐漸明晰，影響其輸出性能及穩定性的制約問題不斷得到突破與解決，旋轉行波超聲電機的應用已有望從間歇驅動場合走向連續驅動領域。為了推動旋轉行波超聲電機的進一步發展，以下幾個方面的問題仍然亟待深入探討：

(1)摩擦損耗問題。定轉子接觸界面上摩擦層的損耗是制約電機壽命的重要因素，而現有旋轉行波超聲電機定子的梳齒結構在放大定子振幅的同時也引起了摩擦層周向不均勻擠壓，加速接觸界面的摩擦損耗。因此，在保持定子振動幅度的同時改進定子梳齒結構是減少摩擦損耗的一個設計思路。

定轉子界面的摩擦接觸伴隨能量損耗的同時也為電機提供驅動力，因此，探討定轉子雙諧振的類齒輪傳動機制有望為改進電機驅動機制、減小摩擦損耗提供有效的解決方案。

(2)頻率漂移問題。溫度升高是影響超聲電機頻率漂移的主要原因，通過對電機的溫度場分析、設計電機水冷散熱裝置可有效抑制電機的頻率漂移、提高電機的運行穩定性。然而這使得電機體積增大，不利于電機的微型化發展。因此，通過電機本體的結構及材料改進來提高電機的散熱性能是旋轉行波超聲電機的一個發展方向。

預壓力的變化是影響超聲電機頻率漂移的另一個重要原因，目前雖已有相關文獻研究超聲電機輸出性能、諧振頻率與預壓力的對應關系，然而其內部作用機制仍不清楚。進一步探討預壓力變化引起頻率漂移的內在機制將會為電機的改進設計提供可靠的理論指導。

(3)驅動頻率與噪聲問題。旋轉行波超聲電機工作在定子諧振頻率附近，微調驅動頻率可使電機的輸出性能有所提升，但同時會帶來電機嘯叫等噪聲問題。該現象目前尚未有文獻進行深入研究，然而其與電機的最佳輸出性能及運行穩定性有著密切聯系。因此，探討電機驅動頻率、噪聲、振動幅度、定子溫度的耦合關系是進一步提升電機輸出性能、優化電機控制策略的關鍵所在。