基于扭振斜向貼片式應力型縱扭復合超聲電機

陳翔宇，朱星星，楊 淋

（南京航空航天大學機械結構力學與控制國家重點實驗室，江蘇 南京210016）

0 引言

超聲電機［1］（ultrasonic motors）是在20世紀80年代發展起來的一種微小型電機，它的原理是利用壓電材料的逆壓電效應的現象，將電能轉換為彈性體的機械能，從而使定子產生高頻振動，通過定／轉子間高頻率下的接觸和摩擦轉換為轉子的直線運動或旋轉運動［2－5］。與電磁電機相比，超聲電機具有許多獨特的優點，它具有結構緊湊、低速大轉矩、斷電自鎖、無電磁干擾、位移分辨率高等優點。因此，超聲電機有著廣闊的應用前景。

縱扭復合型超聲電機［6－8］LTUM（hybrid ultrasonic motors using longitudinal and torsional vibration modes）是超聲電機中一種重要的類型。它主要利用縱、扭兩種工作模態進行工作，目前，對于縱扭復合型超聲電機可分為以下兩類：應力型縱扭復合超聲電機和位移型縱扭復合超聲電機，應力型縱扭復合超聲電機利用定／轉子間最大應力作為接觸應力，產生較大的摩擦力驅動轉子，而定／轉子間的位移振動幅值較小；位移型縱扭復合超聲電機利用定子端面產生最大的振動位移（微米級），來壓縮摩擦材料產生摩擦力驅動轉子，而對于定子端面的應力值較低。1998年，Ueha［9］研制出一種雙轉子應力型縱扭復合超聲電機，該電機采取沿周向極化的環形扭振壓電陶瓷和沿厚度方向極化的環形縱振壓電陶瓷，分別激勵出定子的一階扭轉振動模態及定／轉子整體的二階縱振模態，但是該電機的縱振壓電陶瓷布置在定轉子接觸的兩個端面上。因此，需要加一個電刷結構對轉子上縱振壓電陶瓷進行供電，使得電機的加工工藝變得復雜，而且還相應的增加了電機的體積。2012年，南京航空航天大學精密驅動研究所在此基礎上進行了合理的結構設計［10］，提出了將縱振壓電陶瓷全部放置在定子基體的端面上，這樣很好的避免了電刷結構的使用，使電機實現應用更近一步。但是，上述兩種應力型縱扭復合超聲電機均采用了造價昂貴、工藝復雜、成品率低的沿周向極化的環形扭振壓電陶瓷，限制了電機在實際工程中應用。對此提出一種矩形壓電陶瓷貼置在開有斜槽的圓形定子基體上的布局方案，避免使用沿周向極化的環形扭振壓電陶瓷，分析了電機的工作機理，進行振動測試實驗、選擇其最佳的工作頻率。

1 電機結構設計

設計的斜向貼片式應力型縱扭復合超聲電機結構如圖1所示，電機主要由定子組件和轉子組件組成。定子組件由定子基體（1Cr18Ni9Ti）、摩擦片（45＃）、第1組環型縱振壓電陶瓷（PZT-8H）、電極片（Qsn6.5）、矩形扭振壓電陶瓷（PZT-8H）、第2組環型縱振壓電陶瓷（PZT-8H）、2個深溝球軸承組成；所述轉子組件由轉軸（45＃）、鎖緊螺母、壓塊（LY12）、硅橡膠、2個轉子（Qsn6.5）組成。定子組件與轉子組件由傳動軸連接，兩端放置有硅橡膠和壓塊，通過鎖緊螺母鎖緊以提供一定的預壓力。該型電機所用材料的參數如表1所示。

圖1 電機結構

表1 電機所用材料參數

2 工作原理

應力型縱扭復合超聲電機與其他種類的超聲電機工作機理不同，它使用定／轉子整體的縱向振動和定子組件的扭轉振動2種復合模態，具有很好的控制性。定子組件的扭轉振動產生對轉子的驅動力矩，定／轉子整體的縱向振動在定子組件扭轉振動同時發生的情況下能夠改變定／轉子接觸面間的摩擦力。由于電機縱向振動可以改變定／轉子接觸面間的接觸應力大小，通過定子組件的扭轉振動有效的轉換為對轉子轉動力矩，當縱向振動對定／轉子接觸面間的接觸應力最大時，電機通過扭轉振動的作用產生較大的輸出力矩。所以對于應力型縱扭復合超聲電機設計的關鍵就是通過定／轉子整體的縱向振動實現定／轉子接觸面間具有很好的應力值控制。

電機工作模態如圖2所示，當電機所需的一階扭轉振動模態和二階縱向振動模態被同時激發時，一階扭轉振動只限制在定子組件里，定子組件由定子基體、摩擦片、第1組環型縱振壓電陶瓷、電極片、矩形扭振壓電陶瓷、第2組環型縱振壓電陶瓷、2個深溝球軸承組成。二階縱向振動分布在定子組件和2個轉子里，在定／轉子接觸面間振動幅值接近于零。由二階縱向振動振型在電機里分布可知，很容易知道二階縱振應力振型分布，其在定／轉子接觸面間應力幅值最大，滿足應力型縱扭復合超聲電機在定／轉子接觸面間應力設計的關鍵。對于兩者模態的共振頻率一致性設計，可通過調整兩端轉子長度，使一階扭振頻率與二階縱振頻率趨于一致。當兩者工作模態被相應壓電單元以相位差90°的正弦電壓同時獨立激勵，在振動半個周期內，當定子組件其中一端面扭轉振動速度達到最大的同時，定轉子接觸面的應力變得最大，接觸面間的摩擦力最大，此時對于定子組件另一端面扭轉振動速度相反，而定轉子接觸面的應力最小，接觸面間的摩擦力也最小，產生的制動力矩對電機正常轉動影響較小；在下一個振動半個周期內，進行同樣的運行機理，但轉子轉動方向保持不變。所以，通過縱向振動臨時改變定轉子接觸面的應力大小，定子組件的扭轉振動能夠對連續轉動的轉子作出相應的調整。

圖2 電機工作模態

圖3 所示為壓電陶瓷在定子上的極化布置方案，定子組件兩端各粘貼有2片沿厚度方向極化的圓形壓電陶瓷，每組壓電陶瓷中相鄰壓電片極化布置相反，且左右兩端兩組壓電陶瓷極化布置相反，用正弦交變電壓E1施加到兩組縱振壓電陶瓷，縱振壓電陶瓷產生相應的正弦應變，激發出定／轉子整體的二階縱振模態。正弦交變電壓E1表示為：

圖3 壓電陶瓷片的極化布置方案

AE和fE分別表示為所加正交電壓的幅值和激勵頻率，當fE等于定／轉子整體的二階縱向振動的固有頻率，定／轉子整體的二階縱振模態就能被壓電單元激發。用于激勵定子組件一階扭振模態的矩形壓電陶瓷片粘貼在定子上與軸向成45°的斜槽里，共用4片沿厚度方向極化矩形壓電陶瓷，在定子上極化布置均指向軸心或背離軸心方向，當正弦交變電壓E2施加到矩形壓電陶瓷，矩形壓電陶瓷產生正弦應變，由于偏離定子組件軸心，產生一對相反的力矩，激發出定子組件一階扭振模態。正弦交變電壓E2表示為：

φ為E1和E2之間相位差，當相位差為90°時能很好滿足電機驅動要求。

通過ANSYS Workbentch計算出電機縱扭模態如圖4所示，其扭振模態模態頻率和縱振模態頻率分別為26.5kHz和26.7kHz，很好滿足頻率一致性的要求。圖4a所示為定子組件一階扭振模態振型圖，兩端面的速度相位相反；圖4b為定／轉子整體的二階縱振模態振型圖，可知兩端定轉子接觸面間應力相位相差180°，與工作原理分析的結果保持一致。

圖4 ANSYS Workbentch計算出的電機工作模態

3 實驗

電機樣機如圖5所示，為設計的10mm貼片式雙轉子應力型縱扭復合超聲電機的樣機，采取4片矩形壓電陶瓷貼置在開有斜槽的圓形定子基體上的布局方案，用于激勵出定子基體產生一階扭轉振動模態，避免使用沿周向極化的環形扭振壓電陶瓷。這種電機具有結構簡單，不需過多復雜的裝配工藝，易于實現的優點。

圖5 電機樣機

采用德國Polytec公司生產的PSV300F-B高頻激光掃描測振儀對斜向貼片式應力型縱扭復合超聲電機進行模態實驗。圖6a和圖6b分別為定子組件的一階扭振模態幅頻曲線和模態振型，由一階扭振模態幅頻曲線得出定子一階扭振共振頻率為25.359kHz。圖6c和圖6d分別為電機的定轉子整體的二階縱振模態幅頻曲線和模態振型，由定轉子整體的二階縱振模態幅頻曲線可知：定轉子的二階縱振頻率帶寬為5kHz，起始頻率和終止頻率分別為25kHz和30kHz，這對于縱扭復合型超聲電機工作頻率一致性起到很好的調節作用。通過在高頻激光掃描測振儀實測的實驗數據和實驗現象，進一步可以說明這種利用矩形壓電陶瓷貼置在開有斜槽的圓形定子基體上的布局方案，能夠激發出定子組件一階扭轉振動模態。用兩相相位差為90°的正弦信號，經過2個功率放大器進行信號放大，分別用于激勵相應的壓電單元，通過信號發生器確定電機所用的最好工作頻率大致為25.5kHz，電機能夠平穩運行。

圖6 激光多普勒測振儀實測的電機工作模態頻率和振型

4 結束語

基于扭轉振動斜向粘貼壓電片的布局方案及激勵模式的研究，設計了一種新型雙轉子應力型縱扭復合超聲電機，主要討論了電機整體的結構設計思路及相應材料的選擇，電機所需工作模態的選擇及相應電激勵的方法，完成了電機整體樣機的設計和電機工作模態的數值計算。針對該電機的運行原理和工作過程，確定了可靠實驗方法，并對樣機的工作性能做出深入分析。電機的實驗結果表明，粘貼在開有斜槽的圓形定子基體上的矩形壓電陶瓷，能夠激發出定子組件一階扭轉振動模態，并且該電機所需兩個工作模態的固有頻率具有很好的一致性，電機能夠平穩運行，避免了工藝復雜、成本高的環形扭振壓電陶瓷的使用，實現了扭轉振動激勵模式的創新，從而對其它類似的應力型縱扭復合超聲電機的扭振激勵模式提供了一種新的思路。

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