旋轉型行波超聲電機網絡的性能測試和仿真

范培英，邱 洋

（1.上海建橋學院 信息化辦公室，上海 201319 ；2.上海電子信息職業技術學院 計算機應用系，上海 201411）

0 引言

超聲電機技術是綜合了振動學、摩擦學、電力電子、自動控制和新材料等眾多學科的新技術。超聲電機由于其優越的性能，而受到廣泛的關注。超聲電機是將電能轉換成機械能，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換成轉子的運動。 超聲電機具有結構簡單、噪聲小、不受磁場干擾、效率高和控制性能好等特點，發展非常迅速，前景十分廣闊,未來會用在醫療系統和安全系統甚至一些特殊領域。

行波超聲電機由正交的兩組駐波合成，其中定子質點做橢圓形的運動。超聲電機可以分為直線型和旋轉型超聲電機。其結構式利用定子的行波波紋受到摩擦力而帶動轉子旋轉，通過改變輸入電壓進而使行波的傳播方向發生變化。定子的頻率和定子轉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型電機。旋轉型行波超聲電機的結構如圖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出兩相駐波，駐波疊加形成沿一定方向傳播的行波。轉子的轉動由定子行波表面質點的切向速度決定，并且和行波的傳播方向相反。

其實質是壓電陶瓷的逆壓電效應產生定子激振 ,在某頻率處產生高頻的微幅振動，再通過摩擦將定子的微幅振動轉換成轉子的回轉。這里定子為一圓環形板，其頂端質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 旋轉型行波超聲電動機結構簡圖

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

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。當計算機調控下，高低溫濕熱箱的溫度調控范圍可以在-150℃到180℃。磁滯測功機負責測量和加載電機的轉速。電機功率放大器測量各種溫度下電機產生的共振頻率。

實驗選用對象為TRUM- 60型旋轉型行波超聲電機。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分鐘穩定才測試電機性能。測試內容主要有：

1）電機共振頻率測試：動態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）電機最高轉速測試：用電機驅動控制器驅動電機，氣浮軸承輸送轉速信號給磁滯測功機。不斷調節驅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速。

3）轉速穩定性測試：選擇性能較好的摩擦材料FM1 和FM2將它們和2臺電機的轉子固定。調節溫度至電機保持穩定的最低工作狀態，調節驅動頻率，轉矩外加0.1 N·m加大磨擦，保持溫度2 h恒定，每隔10分鐘記錄電機轉速變化1次。同理測試并且記錄下另外1 臺電機的數據。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，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。

試驗結果表明，溫度確實對電機共振頻率有影響。雖然在仿真環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下降趨勢。考慮了定子的環形結構，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果如圖3所示。隨著溫度的下降，電機的轉速會加快，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）對轉速的影響：溫度的作用使共振頻率發生變化，也會影響輸出轉速。如圖4所示，通過變換頻率獲得電機穩定工作的最高轉速。

圖4 溫度對最高轉速的影響

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

5 結論

1）溫度對電機共振頻率影響的數學模型和實驗的結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。但是轉子摩擦材料系數的下降能夠損耗一部分的輸出力矩。

3）調頻可以使電機獲得最佳輸出性能，但不能抵消溫度對轉速的影響。

4）溫度環境會影響定子和轉子摩擦材料的磨損，低溫時磨擦的痕跡比較微弱。

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