雙彎曲行波旋轉型超聲波電機的設計

王國焱，洪尚任，王國榮

（1.華僑大學機電及自動化學院，福建 泉州 362021；2.武漢大學東湖分校工學院，湖北 武漢 430212）

雙彎曲行波旋轉型超聲波電機的設計

王國焱1，洪尚任1，王國榮2

（1.華僑大學機電及自動化學院，福建 泉州 362021；2.武漢大學東湖分校工學院，湖北 武漢 430212）

根據超聲換能器的原理及設計理論，研究圓柱定子雙彎曲行波型超聲波電機的驅動機理及設計方法.分別測試激勵頻率、驅動電壓和預壓力對超聲波電機樣機轉速特性的影響.結果表明，輸入信號頻率偏離諧振頻率越大，轉速下降越多，頻率可調范圍較小，同時電機轉速對輸入信號頻率變化較為敏感；電機的輸出轉速隨驅動電壓變化趨勢有明顯的近似線性關系；預壓力對超聲波電機的輸出特性有較大的影響.

超聲波電機；圓柱定子；彎曲振動；轉速特性

1 樣機設計與制作

1.1 陶瓷片的極化及驅動機理

所設計的圓柱體彎曲振動超聲波電機采用4片彎曲振動陶瓷片，壓電陶瓷元件極化及排列方式如圖1所示［1］.壓電陶瓷環電極分割為兩部分，并且相互反相極化，壓電陶瓷環按極性相反兩兩疊合成兩組.兩組彎曲振動壓電陶瓷片的分割線相互錯開90°疊放，以便激勵兩個正交的彎曲振動模態.

圖1 壓電陶瓷極化圖Fig.1 Chart of piezoceramics polarization

當兩相相位互差的正交信號同時激勵時，在電機定子表面形成雙彎曲行波.通過定子和轉子之間緊密接觸產生的摩擦力驅動轉子，并輸出力矩.若將輸入到兩相的信號換相，則可實現轉子的反轉［2-4］.

1.2 定子尺寸設計計算

定子采用夾心式換能器，結構如圖2所示［5］.彎曲振動夾心式壓電換能器可以等效為兩端自由的彎曲振動均勻的細圓棒，其共振頻率計算式［5］為

圖2 夾心式換能器結構Fig.2 Structure of sandwich transducer

式（1）中：i為圓棒不同的彎曲振動模式；L為圓棒的長度；R為圓棒橫截面的回旋半徑；c為圓棒中縱振動的傳播速度，c=，E為彈性模量，ρ為材料密度.文中選擇圓棒材料為45#鋼，外半徑為10mm，i=1.若f=20kHz，則L≈72mm；若f=40kHz，則L≈52mm.

當壓電陶瓷片引入圓棒中間位置時，必須對壓電陶瓷片的影響進行圓棒長度修正.圓棒修正長度Lc應該滿足對稱模式方程，即

由式（2）可求得Lc，則由Lt=L-2Lc+2L0可求得，對應于設計頻率f為20，40kHz，計算修正后的換能器總長度Lt分別為65，46mm.

2 結果分析

所設計和制作的圓柱定子雙彎曲行波電機［6］，其頻率為40kHz.電機結構圖和實物照片，分別如圖3，4所示.

圖3 圓柱定子雙彎曲行波電機結構圖Fig.3 Structural picture of double-bended cylinder stator travelling motor

圖4 電機照片Fig.4 Photograph of the motor

2.1 激勵頻率-轉速特性

在電源輸入電壓10.5V，預壓力0.4N條件下，測試電機的激勵頻率-轉速特性，結果如圖5所示.轉速采用DM6236P型激光非接觸/接觸轉速表測試.

從圖5可以看出，電機的諧振頻率為41.75kHz時，轉速最大.輸入信號頻率偏離諧振頻率越大，轉速下降的越多，頻率可調范圍較小，同時電機轉速對輸入信號頻率變化較為敏感.

2.2 驅動電壓-轉速特性

在頻率為41.50kHz，預壓力為0.5N的條件下，測試電機的輸出轉速隨輸入電壓的變化，結果如圖6所示.由圖6可見，電機的輸出轉速隨驅動電壓變化趨勢有明顯的近似線性關系.即驅動電壓增大，輸出的轉速隨之增大.

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，從而輸出轉速也會增大.

圖5 電機的激勵頻率-轉速特性曲線圖Fig.5 Curve of excitation frequency versus rotating speed characteristics of the motor

圖6 電機的驅動電壓-轉速特性曲線圖Fig.6 Curve of driving voltage versus rotating speed characteristics of the motor

2.3 預壓力-轉速特性

在電源輸入電壓為11V，輸入信號頻率為41kHz條件下，測試電機的輸出轉速隨預壓力的變化曲線，如圖7所示.

圖7 電機的預壓力-轉速特性曲線圖Fig.7 Curve of precompression versus rotating speed characteristics of the motor

由圖7可知，當預壓力較小時，定子和轉子間接觸范圍較小，主要集中在定子波峰點.此時加大預壓力，定子和轉子間接觸范圍開始增大，驅動區越來越大，轉子的轉速逐漸提高.

當預壓力大到一定程度時，定子與轉子的接觸范圍已經增大到超過了等速點，而定子在等速點以外的表面質點的周向速度小于轉子.此時，接觸區域開始出現阻礙轉子運動的阻止區，且定子和轉子的徑向滑動最劇烈的地方已經處于接觸區域內.如果再增加預壓力，轉子的轉速開始降低.

由此可見，預壓力對超聲波電機的輸出特性有較大的影響.即每一種超聲波電機的最高輸出轉速對應不同的預壓力最佳值.

3 結束語

依據超聲換能器原理及設計理論，對其驅動機理及設計方法進行研究.該類型電機除了具有一般超聲波電機的特點外，還具有結構簡單緊湊，設計計算簡便，易于小型化的特點，而且輸出性能好，具備良好的發展前景.

［1］楊志剛，程光明.雙彎曲駐波旋轉型超聲馬達［J］.壓電與聲光，1995，17（6）：50-54.

［2］趙淳生.超聲電機技術與應用［M］.北京：科學出版社，2007：241-261.

［3］胡敏強，金龍，顧菊平.超聲波電機原理與設計［M］.北京：科學出版社，2005：169-184.

［4］劉宏偉.圓柱定子雙彎曲振動超聲波電機及電源的設計與實驗研究［D］.泉州：華僑大學，2007.

［5］林書玉.超聲換能器的原理及設計［M］.北京：科學出版社，2004：91-100.

［6］劉宏偉，洪尚任，林星凌，等.振動片式壓電電機定子的實驗［J］.華僑大學學報：自然科學版，2009，30（2）：127-130.

Design of Ultrasonic Motor Using Dual Bending Travelling-Wave Rotating Mode

WANG Guo-yan1，HONG Shang-ren1，WANG Guo-rong2
（1.College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China；2.Faculty of Engineering，Donghu College，Wuhan University，Wuhan 430212，China）

According to the principle of ultrasonic transducer and the corresponding design theory，driving mechanism and the design method of ultrasonic motor，structure of which is dual bending travelling wave rotating mode of cylinder stator，have been studied.Experiments have been done to test the effects which excitation frequency，driving voltage and respectively have taken on the rotational speed characteristics of the prototype of ultrasonic motor.The results have shown that the greater the frequency of the input signal deviates from the resonant frequency，the more the rotational speed slows down，and the adjustable range of the frequency is a little small and the motor speed is very sensitive to the change of the frequency of the input signal；there is a clear approximate linear relationship between the output rotational speed of the motor and the trend of the change of driving voltage；and precompression has greater impact on the output characteristics of ultrasonic motors.

ultrasonic motor；cylinder stator；bending vibration；rotational speed characteristics

TM 359.902

A

1000-5013（2010）06-0715-03

（責任編輯：陳志賢 英文審校：鄭亞青）

2009-07-29

洪尚任（1944-），男，教授，主要從事機電系統及超聲波電機的研究.E-mail：srhong@hqu.edu.cn.

國務院僑辦科研基金資助項目（04QZR10）