行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)兩種組合方式的實(shí)驗(yàn)研究

尹育聰 姚志遠(yuǎn) 趙淳生

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)兩種組合方式的實(shí)驗(yàn)研究

尹育聰 姚志遠(yuǎn) 趙淳生

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

為了進(jìn)一步提高超聲電機(jī)的輸出性能，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩種組合結(jié)構(gòu)的行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)（TRUSM）——雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，并依據(jù)結(jié)構(gòu)特征，定性分析了定轉(zhuǎn)子接觸狀態(tài)對(duì)兩種組合方式輸出性能的影響。參照單定轉(zhuǎn)子TRUSM，用對(duì)比實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)了兩種組合結(jié)構(gòu)TRUSM的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，組合結(jié)構(gòu)是大幅度提高TRUSM輸出性能的一種有效方法，而且組合結(jié)構(gòu)中的定轉(zhuǎn)子接觸狀態(tài)對(duì)輸出性能意義重大。

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)；組合結(jié)構(gòu)；大轉(zhuǎn)矩；高能量密度

0 引言

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)（TRUSM）具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活、功率體積比大、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)快、位移分辨率高、無磁場(chǎng)干擾、低噪聲運(yùn)行、可在極端環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)，正逐漸應(yīng)用于機(jī)器人、精密儀器儀表、醫(yī)療器械、航空航天等領(lǐng)域［1－3］。目前，為了進(jìn)一步適應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩大但結(jié)構(gòu)尺寸小的應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)組合結(jié)構(gòu)的TRUSM是一種較方便的方法。

TRUSM的運(yùn)行原理是利用定轉(zhuǎn)子間的動(dòng)態(tài)接觸摩擦，將定子振動(dòng)體接觸面上的超聲頻率微米級(jí)振幅的周向行波轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的宏觀回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此在組合TRUSM時(shí)，定轉(zhuǎn)子間動(dòng)態(tài)接觸摩擦對(duì)電機(jī)的最終輸出性能影響很大［4］。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度提出過幾種組合結(jié)構(gòu)的TRUSM［5－8］，但均未明確報(bào)道電機(jī)輸出性能的情況。為此，本文根據(jù)目前TRUSM的兩種主要定轉(zhuǎn)子接觸方式——?jiǎng)傂赞D(zhuǎn)子接觸和柔性轉(zhuǎn)子接觸，提出了兩種切實(shí)可行的TRUSM組合方案——雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM和雙定轉(zhuǎn)子TRUSM，制作出原理樣機(jī)并測(cè)試了樣機(jī)的輸出性能，并比較了這兩種TRUSM組合方案的優(yōu)缺點(diǎn)。

1 雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM

雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是TRUSM最簡(jiǎn)單的一種組合形式，它采用結(jié)構(gòu)完全相同的兩個(gè)定子，上下對(duì)置夾住中間單個(gè)轉(zhuǎn)子，通過與中間轉(zhuǎn)子相連的轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械能。雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸狀態(tài)如圖1所示，由于受到兩個(gè)定子上下對(duì)稱的作用力，圓板狀中間轉(zhuǎn)子的腹板不存在彎曲變形，而轉(zhuǎn)子與存在周向行波定子之間的接觸面并不是平面，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定轉(zhuǎn)子間的實(shí)際接觸面積下降很大，從而較大地制約了電機(jī)的輸出性能。此外，雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM需要額外的壓簧使定轉(zhuǎn)子間保持一定的預(yù)壓力。

圖1 雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸示意圖

國(guó)內(nèi)外學(xué)者曾提出過雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM的具體設(shè)計(jì)方案［6－7］，但并未報(bào)道電機(jī)的實(shí)際輸出性能。為此，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了如圖2所示的雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM，采用向心定位塊固定碟形彈簧的徑向位置，以保證碟形彈簧所產(chǎn)生的預(yù)壓力能夠均勻地施加在定轉(zhuǎn)子之間，同時(shí)，在內(nèi)部定子座上均布有周向定位片，從而消除了上定子在驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí)出現(xiàn)周向反轉(zhuǎn)的可能。

圖2 雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM

與采用剛性轉(zhuǎn)子的單定轉(zhuǎn)子TRUSM相比，雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM完全忽略了轉(zhuǎn)子與定子間的變形匹配，機(jī)電轉(zhuǎn)換效果較差。圖3是采用剛性轉(zhuǎn)子TRUSM的定轉(zhuǎn)子接觸示意圖，剛性轉(zhuǎn)子TRUSM通過剛性轉(zhuǎn)子上的壓簧變形，使定子、轉(zhuǎn)子之間保持了一定的預(yù)壓力，但由于剛性轉(zhuǎn)子的腹板存在一定的彎曲變形，電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子和轉(zhuǎn)子間的動(dòng)態(tài)接觸面積有所提高，從而部分改善了電機(jī)的輸出性能。

圖3 剛性轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸示意圖

2 雙定轉(zhuǎn)子TRUSM

雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是TRUSM最直接的一種組合形式，其基本形式是采用相同尺寸結(jié)構(gòu)的兩組定轉(zhuǎn)子，一個(gè)定子與一個(gè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成一組驅(qū)動(dòng)源，另一個(gè)定子與另一個(gè)轉(zhuǎn)子構(gòu)成另一組驅(qū)動(dòng)源，兩組驅(qū)動(dòng)源通過與兩個(gè)轉(zhuǎn)子連接的公共轉(zhuǎn)軸輸出機(jī)械能。一些學(xué)者曾提出雙定轉(zhuǎn)子TRUSM的設(shè)計(jì)方案［5，8］，這些方案意在充分利用較為成熟的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸驅(qū)動(dòng)特性，然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想。

為解決上述組合方案中所存在的問題，本文提出從結(jié)構(gòu)上抑制兩個(gè)定子在行波驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子過程中存在的軸向振動(dòng)耦合，旨在消除組合結(jié)構(gòu)中的非線性疊加因素，具體設(shè)計(jì)了一種階梯軸結(jié)構(gòu)的復(fù)合夾持機(jī)構(gòu)，如圖4所示。這種復(fù)合夾持機(jī)構(gòu)的功能元件可分為如下兩部分：①由下定子基座和上定子基座固定于筒狀外殼的兩端面而構(gòu)成的外部固定結(jié)構(gòu)，用以固定TRUSM的兩個(gè)定子；②通過下定子基座內(nèi)的下止推軸承和上定子基座內(nèi)的上止推軸承共同限定階梯軸的軸向位置而形成的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)安裝在轉(zhuǎn)軸上的兩個(gè)轉(zhuǎn)子施加了軸向約束，從而隔離了兩組定轉(zhuǎn)子間的振動(dòng)能量傳遞，保證了雙定轉(zhuǎn)子TRUSM運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定。

圖4 階梯軸結(jié)構(gòu)的復(fù)合夾持機(jī)構(gòu)

圖5示出了雙定轉(zhuǎn)子TRUSM的完整結(jié)構(gòu)，兩組定轉(zhuǎn)子設(shè)置在階梯軸結(jié)構(gòu)的復(fù)合夾持機(jī)構(gòu)中，兩組定轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力可分別通過轉(zhuǎn)子與階梯軸軸環(huán)端面之間的調(diào)整墊片來調(diào)節(jié)。

圖5 雙定轉(zhuǎn)子TRUSM

本文所提出的雙定轉(zhuǎn)子TRUSM的轉(zhuǎn)子是柔性的，與單定轉(zhuǎn)子TRUSM的柔性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同，轉(zhuǎn)子腹板厚度很小，轉(zhuǎn)子較為柔軟，這樣，一方面，直接通過轉(zhuǎn)子的變形來提供定子、轉(zhuǎn)子之間的穩(wěn)定預(yù)壓力，將預(yù)壓力機(jī)構(gòu)集成到柔性轉(zhuǎn)子上，簡(jiǎn)化了電機(jī)的結(jié)構(gòu)；另一方面，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，柔性轉(zhuǎn)子可以隨存在周向行波的定子變形而有些變形，增大了TRUSM運(yùn)行時(shí)定轉(zhuǎn)子的實(shí)際接觸面積，從而提高了電機(jī)輸出性能。圖6是柔性轉(zhuǎn)子TRUSM 的接觸示意圖［9］。

該雙定轉(zhuǎn)子TRUSM在結(jié)構(gòu)上完全保留了柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的驅(qū)動(dòng)特性，理論上可將柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的輸出性能提高一倍，由于雙定轉(zhuǎn)子TRUSM的結(jié)構(gòu)更加緊湊，因而其輸出的能量密度將高于柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的能量輸出密度。

圖6 柔性轉(zhuǎn)子TRUSM的接觸示意圖

3 實(shí)例分析

為了檢驗(yàn)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和性能分析的正確性，以φ60mm型TRUSM為例，制作了兩種組合結(jié)構(gòu)的TRUSM實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，如圖7所示。

圖7 兩種組合結(jié)構(gòu)TRUSM的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，本文參照了已有的兩種單定轉(zhuǎn)子TRUSM，表1為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中樣機(jī)1為剛性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM，樣機(jī)2為柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM，樣機(jī)3為雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM，樣機(jī)4為雙定轉(zhuǎn)子TRUSM。從表1可以看出，樣機(jī)3由于保留了額外的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)，體積較大，比剛性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)1的體積增大了41%，而樣機(jī)4簡(jiǎn)化了單定轉(zhuǎn)子TRUSM的圓罩狀外殼結(jié)構(gòu)并省掉了外殼內(nèi)的軸承，使電機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊，其體積僅比柔性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)2的體積增大了27%。此外，在材料選用和加工工藝上，所有樣機(jī)的相應(yīng)零部件均保持一致。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測(cè)出了上述四種樣機(jī)的轉(zhuǎn)矩－轉(zhuǎn)速曲線和轉(zhuǎn)矩－輸出功率曲線，其輸出性能分別如圖8～圖11所示。

表2是四種樣機(jī)輸出性能的主要參數(shù)。首先，將剛性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)1與柔性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)2相比較，可以發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)1除了空載轉(zhuǎn)速以外，最大轉(zhuǎn)矩、最高功率、轉(zhuǎn)矩密度、功率密度等輸出參數(shù)均低于樣機(jī)2的相關(guān)參數(shù)，因此，總體上來講，柔性轉(zhuǎn)子接觸方式比剛性轉(zhuǎn)子接觸方式優(yōu)越一些。

圖8 樣機(jī)1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 樣機(jī)2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖10 樣機(jī)3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖11 樣機(jī)4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 輸出性能的主要參數(shù)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，樣機(jī)3采用雙定子單轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，與剛性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)1相比，最大轉(zhuǎn)矩提高了62.5%，而空載轉(zhuǎn)速、最高功率分別下降了56.5%、20.8%，由于預(yù)壓力機(jī)構(gòu)使雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM體積增大較多，樣機(jī)3的轉(zhuǎn)矩密度比樣機(jī)1的轉(zhuǎn)矩密度僅提高了15%，而功率密度則下降了43.3%。這表明，雙定子單轉(zhuǎn)子TRUSM完全忽略了定轉(zhuǎn)子間的變形匹配，對(duì)剛性轉(zhuǎn)子單定轉(zhuǎn)子TRUSM的輸出性能提高不多。

比較雙定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)4和柔性轉(zhuǎn)子形式單定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的樣機(jī)2可知，樣機(jī)4除了空載轉(zhuǎn)速略有下降外，最大轉(zhuǎn)矩、最高功率、轉(zhuǎn)矩密度、功率密度均比樣機(jī)2的相應(yīng)參數(shù)分別提高了80%、59.4%、42.2%、25.6%，這表明，本文所提出的雙定轉(zhuǎn)子TRUSM保留了柔性轉(zhuǎn)子形式的單定轉(zhuǎn)子TRUSM的定轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)特性，且結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有明顯的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

（1）TRUSM是一種有著廣泛應(yīng)用前景的超聲電機(jī)，它的研究和試制涉及機(jī)械振動(dòng)和波動(dòng)、摩擦、材料、電子、超精加工等眾多學(xué)科的交叉領(lǐng)域。為了進(jìn)一步滿足轉(zhuǎn)矩大、尺寸小等要求，TRUSM的結(jié)構(gòu)組合被證明是一種方便而可行的方法。

（2）鑒于超聲電機(jī)的發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，對(duì)于超聲電機(jī)在超聲頻率微米級(jí)波動(dòng)下的動(dòng)態(tài)接觸驅(qū)動(dòng)機(jī)理的建模、優(yōu)化等問題還有待深入研究，本文從定轉(zhuǎn)子間變形匹配的角度分析了組合結(jié)構(gòu)TRUSM輸出性能的優(yōu)劣，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該研究有助于理解兩種組合結(jié)構(gòu)TRUSM輸出特性的差異。

（3）針對(duì)TRUSM的基本組合形式——雙定子單轉(zhuǎn)子和雙定轉(zhuǎn)子，本文提出了兩種切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩者均能提高TRUSM的輸出轉(zhuǎn)矩，其中雙定轉(zhuǎn)子TRUSM在輸出性能、能量密度等方面均具有明顯的優(yōu)勢(shì)，本文的研究結(jié)果為TRUSM的進(jìn)一步發(fā)展奠定了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

［1］ 趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］ Ueha S，Tomikawa Y，Kurosawa M，et al.Ultrasonic Motors：Theory and Applications［M］.Oxford：Oxford Science Publication，1993.

［3］ Sashida T，Kenjo T.An Introduction to Ultrasonic Motor［M］.Oxford：Clarendon Press，1993.

［4］ 曾勁松，姚志遠(yuǎn)，趙淳生.超聲電機(jī)中的非線性現(xiàn)象研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，10（5）：1047－1051.

［5］ 李華峰，辜承林.大轉(zhuǎn)矩行波型超聲波電機(jī)的研制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2002，22（8）：67－70.

［6］ 張鐵民.一種旋轉(zhuǎn)式超聲電機(jī)：中國(guó)，CN1909355A［P］.2007－02－17.

［7］ Rajagobalan R，Tooru N.A New Method of Improving the Torque of a Travelling Wave Ultrasonic Motor［C］／／Proceedings of the 1999IEEE／ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics.Atlanta，USA，1999.

［8］ 王光慶.行波型超聲波電機(jī)的若干關(guān)鍵問題研究［D］.浙江：浙江大學(xué)，2006.

［9］ 陳超，趙淳生.柔性轉(zhuǎn)子對(duì)行波超聲波電動(dòng)機(jī)性能的影響［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2008，44（3）：152－159.

Experimental Study on Two Combinations of Traveling－wave Rotary Ultrasonic Motors

Yin Yucong Yao Zhiyuan Zhao Chunsheng
Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016

In order to improve the output performance，two novel TRUSMs（traveling wave rotary ultrasonic motor）with combined structures were designed and implemented.One was the TRUSM with two stators and single rotor，the other was the TRUSM with two stators and two rotors.Based on the structural characteristics，the mechanism that the stator／rotor contact state affected the output performance of these TRUSMs was qualitatively analyzed.In the comparative experiments，it was tested that the TRUSMs with combined structures had incomparable features to the single－statorrotor TRUSMs.Experimental results indicate that the structural combination is an effective way to greatly improve the output performance，and the stator／rotor contact states are very important for the TRUSM performance.

traveling wave rotary ultrasonic motor；combined structure；large torque；high energy density

TM356

1004—132X（2011）01—0084—04

2010—01—14

國(guó)家自然科學(xué)基金廣東聯(lián)合基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（U0934004）

（編輯 郭 偉）

尹育聰，男，1981年生。南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)研究所博士研究生。主要研究方向?yàn)槌曤姍C(jī)技術(shù)。發(fā)表論文5篇。姚志遠(yuǎn)，男，1961年生。南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)研究所副教授。趙淳生，男，1938年生。南京航空航天大學(xué)精密驅(qū)動(dòng)研究所教授、博士研究生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院院士。