旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機網(wǎng)絡的性能測試和仿真

范培英，邱 洋

（1.上海建橋?qū)W院 信息化辦公室，上海 201319 ；2.上海電子信息職業(yè)技術(shù)學院 計算機應用系，上海 201411）

0 引言

超聲電機技術(shù)是綜合了振動學、摩擦學、電力電子、自動控制和新材料等眾多學科的新技術(shù)。超聲電機由于其優(yōu)越的性能，而受到廣泛的關注。超聲電機是將電能轉(zhuǎn)換成機械能，利用壓電陶瓷的逆壓電效應獲取運動和力矩，將材料通過機械共振和摩擦轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的運動。 超聲電機具有結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小、不受磁場干擾、效率高和控制性能好等特點，發(fā)展非常迅速，前景十分廣闊,未來會用在醫(yī)療系統(tǒng)和安全系統(tǒng)甚至一些特殊領域。

行波超聲電機由正交的兩組駐波合成，其中定子質(zhì)點做橢圓形的運動。超聲電機可以分為直線型和旋轉(zhuǎn)型超聲電機。其結(jié)構(gòu)式利用定子的行波波紋受到摩擦力而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過改變輸入電壓進而使行波的傳播方向發(fā)生變化。定子的頻率和定子轉(zhuǎn)子的摩擦力會因為溫度而有所變化，導致超聲電機的許多性能也隨之受到影響。本文通過溫度的測試實驗系統(tǒng)對超聲電機共振頻率、機械特性等隨溫度的反應的變化。

1 超聲電機原理

超聲電機也被稱為超聲波電機，可以分成直線型和旋轉(zhuǎn)型電機。旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其工作原理是在壓電陶瓷上施加相同頻率等幅、相位相差 90°的交變電壓，通過逆壓電效應定子激發(fā)出兩相駐波，駐波疊加形成沿一定方向傳播的行波。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動由定子行波表面質(zhì)點的切向速度決定，并且和行波的傳播方向相反。

其實質(zhì)是壓電陶瓷的逆壓電效應產(chǎn)生定子激振 ,在某頻率處產(chǎn)生高頻的微幅振動，再通過摩擦將定子的微幅振動轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的回轉(zhuǎn)。這里定子為一圓環(huán)形板，其頂端質(zhì)點為三維的運動軌跡，沿著徑向、周向和縱向位移分量分別表示：

圖1 旋轉(zhuǎn)型行波超聲電動機結(jié)構(gòu)簡圖

合成徑向和周向的位移分量，得到一個和平面內(nèi)徑向垂直的的橢圓軌跡sE。sE可以認為是定子頂端質(zhì)點在垂直于徑向平面內(nèi)軌跡的投影。 定子要想驅(qū)動轉(zhuǎn)子投影運動是必須的，定子需要將振動能量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)動能。橢圓運動會讓轉(zhuǎn)子懸浮，定子要用預壓力將其緊壓在彈性體上。另外質(zhì)點還有運動分量Sr，它能有效控制定子和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的徑向滑動，減少能量的消耗，有利于定子和轉(zhuǎn)子的動力傳遞。

2 溫度對電機的影響

溫度的變化嚴重影響著超聲電機的力矩和轉(zhuǎn)速等，以往研究溫度對電機的作用都是在壓電陶瓷方面。我們將電機的定子等效成壓電復合梁模型，利用物理能量等效原則，計算出定子的等效密度、彈性模量等。考慮轉(zhuǎn)動慣量等的影響下，共振頻率計算公式：

再溫度對定子的金屬體和壓電陶瓷片的影響也加進去，就得出溫度對共振頻率的影響模型。計算機的仿真結(jié)果可知，溫度對兩者都有影響，但總的共振頻率隨溫度的升高而降低。本文的實驗是TRUM-60行波超聲電機進行溫度測試，得到不同溫度下電機的共振頻率、機械特性等性能。

3 實驗方法

超聲電機關于溫度的測試試驗系統(tǒng)包括計算機、高低溫濕熱箱、磁滯測功機、特性分析儀和TRUM-60行波超聲電機功率放大器等組成。當計算機調(diào)控下，高低溫濕熱箱的溫度調(diào)控范圍可以在-150℃到180℃。磁滯測功機負責測量和加載電機的轉(zhuǎn)速。電機功率放大器測量各種溫度下電機產(chǎn)生的共振頻率。

實驗選用對象為TRUM- 60型旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機。定子用銅基材料，選擇高分子聚合材料來做為轉(zhuǎn)子的摩擦材料。假設1個標準大氣壓下，溫度梯度為10℃，從50℃降至-50℃。每1個梯度到達標準后保持20分鐘穩(wěn)定才測試電機性能。測試內(nèi)容主要有：

1）電機共振頻率測試：動態(tài)特性分析儀提供出正弦激勵信號，其頻率在20～50 kHz之間，再通過功率放大器對其進行放大，并發(fā)送給壓電陶瓷片，最終獲得幅-頻曲線，記錄下各個共振點及反共振點相對的頻率值。

2）電機最高轉(zhuǎn)速測試：用電機驅(qū)動控制器驅(qū)動電機，氣浮軸承輸送轉(zhuǎn)速信號給磁滯測功機。不斷調(diào)節(jié)驅(qū)動器的輸出頻率直到它約等于反共振點頻率，保持后觀察電機此時的最大轉(zhuǎn)速。

3）轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性測試：選擇性能較好的摩擦材料FM1 和FM2將它們和2臺電機的轉(zhuǎn)子固定。調(diào)節(jié)溫度至電機保持穩(wěn)定的最低工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)驅(qū)動頻率，轉(zhuǎn)矩外加0.1 N·m加大磨擦，保持溫度2 h恒定，每隔10分鐘記錄電機轉(zhuǎn)速變化1次。同理測試并且記錄下另外1 臺電機的數(shù)據(jù)。在光學顯微鏡下觀察和比較兩種材料摩擦界面的變化。

4 仿真實驗

4.1 電機共振頻率

如圖2中的曲線fn為理想狀態(tài)，隨著溫度的升高電機共振頻率呈直線下降。但在試驗中測得的頻率變化分別是圖2中的共振點fr和反振點fa曲線。同一溫度時，fa總是高于fr。溫度逐漸升高，fa幾乎直線下降，相比較fr的變化平緩得多，當室溫升至- 10℃開始，fr和fa的差值就開始基本不變。

試驗結(jié)果表明，溫度確實對電機共振頻率有影響。雖然在仿真環(huán)境下得到的共振頻率有所偏差，但總體共振頻率是隨溫度的升高呈現(xiàn)下降趨勢。考慮了定子的環(huán)形結(jié)構(gòu)，就能更準確地預測溫度對共振頻率的影響，建立更可靠的電機理論模型。

圖2 溫度變化影響共振頻率

4.2 機械特性

1）負載特性的影響：超聲電機機械性能的測量結(jié)果如圖3所示。隨著溫度的下降，電機的轉(zhuǎn)速會加快，力矩會縮小。當溫度較高時，超聲電機的性能變化程度會略變小。當溫度小于50℃，力矩的變化不大，超過50℃時，最大力矩上升明顯，幅度也很大至最高值。

圖3 不同溫度下的機械特性

2）對轉(zhuǎn)速的影響：溫度的作用使共振頻率發(fā)生變化，也會影響輸出轉(zhuǎn)速。如圖4所示，通過變換頻率獲得電機穩(wěn)定工作的最高轉(zhuǎn)速。

圖4 溫度對最高轉(zhuǎn)速的影響

可見，電機可以通過調(diào)頻在一定溫度范圍內(nèi)的輸出特性得到最佳值，但是卻不能保證轉(zhuǎn)速性能的穩(wěn)定。 溫度不但影響電機的共振頻率，還會影響轉(zhuǎn)子、定子之間的摩擦界面和摩擦材料的力學參數(shù)的變化, 降低輸出性能。

5 結(jié)論

1）溫度對電機共振頻率影響的數(shù)學模型和實驗的結(jié)果存在一定的誤差但比較吻合，超聲電機的共振頻率是隨著溫度升高而降低的。

2）溫度升高時，旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機的定子振幅變大，電機輸出力矩也會增大；溫度的升高超聲電機的預壓力逐漸變大。但是轉(zhuǎn)子摩擦材料系數(shù)的下降能夠損耗一部分的輸出力矩。

3）調(diào)頻可以使電機獲得最佳輸出性能，但不能抵消溫度對轉(zhuǎn)速的影響。

4）溫度環(huán)境會影響定子和轉(zhuǎn)子摩擦材料的磨損，低溫時磨擦的痕跡比較微弱。

[1] 趙淳生, 黃衛(wèi)清.超聲電機的試驗研究[J].振動、測試與診斷.2003(01): 1-5.

[2] Jiamei J.A Novel Traveling Wave Ultrasonic Motor Using a Bar Shaped Transducer[J].Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition).2008(06).

[3] Sabat R G, Mukherjee B K, Ren Wei, etal.Temperature dependence of the complete material coeff i cients matrix of soft a nd hard doped piezo electric lead zirconate titanate ceramics[J].Journal o f Applied Phy sics, 2007, 101(6): 1-7

[4] 王光慶.行波型超聲電機的若干關鍵問題研究[D].杭州:浙江大學, 2006.