能量回饋型超聲波電動機的結構設計與特性分析

王光慶，高帥帥，李蕭均，楊斌強

(浙江工商大學，杭州 310018)

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能量回饋型超聲波電動機的結構設計與特性分析

王光慶，高帥帥，李蕭均，楊斌強

(浙江工商大學，杭州 310018)

為解決極端封閉環境中微機器人檢測精密驅動及其電子設備自供電問題，提出了一種具有振動能量采集功能的超聲波電動機。電機定子由兩組壓電陶瓷和金屬基體構成錐面夾心結構，一組壓電陶瓷利用逆壓電效應將電能轉換成機械振動能，實現電機的精密驅動與定位；另一組壓電陶瓷利用正壓電效應將定子機械振動能采集轉換成電能，實現對電子器件自供電。對電機定子結構和壓電陶瓷極化分區模式進行了設計，利用有限元分析軟件建立了電機定子結構有限元機電耦合模型，仿真分析了電機振動模態、諧響應、輸入導納特性、能量采集轉換特性和阻抗匹配特性等。研究結果為實現基于壓電轉換的驅動和能量采集一體化機電產品提供理論基礎。

振動能量采集；超聲波電動機；有限元；結構設計與分析

0 引 言

如何對工作在極端惡劣環境(如密封、有毒、高低溫等)中的設備進行檢測與控制是近年來困擾工業界的一個重要難題。微型機器人由于不需要人類的干預與操控等優勢成為解決該問題的首選，并廣泛應用于上述極端惡劣環境中[1-2]。然而，當前大部分工作在極端惡劣環境中的微型機器人的能源動力均為有限能源，這嚴重影響了微型機器人的工作壽命，一旦有限能源耗盡，機器人將無法繼續工作。因此，向極端環境中工作的微型機器人提供可持續的能源是機器人技術領域迫切需要解決的關鍵問題之一。另外，目前機器人關節機構大都采用電磁電機輔助減速機構的驅動控制方式，這種驅動方式增加了系統的復雜性與控制成本。

超聲波電動機(以下簡稱USM)是一種新型原理與結構的微型特種電機。它是利用壓電材料的逆壓電效應將電能轉換成彈性體的機械振動能，并通過摩擦接觸傳遞運動與力矩。它打破了迄今為止由電磁效應獲得轉速和轉矩的電機的概念，是當今世界高新技術之一[3-4]。超聲波電動機具有結構簡單、低速大力矩、快速響應、自鎖力大、無電磁干擾等優點，可以直接驅動機器人關節機構[5]。然而，超聲波電動機的運行機理決定了其整體運行效率低，這對有限能源場合工作的機器人來說無疑是個軟肋。因此，如何將超聲波電動機的運行過程中的振動能量回收轉換成有用的能源，實現為密封、惡劣等極端環境中工作的機器人供電，是一項非常有現實意義的研究工作。

本文提出一種能量回饋型超聲波電動機，研究這種超聲波電動機的結構設計和振動特性與能量轉換特性，為研制出更具有實用價值、集驅動與發電功能一體化的新型超聲波電動機打下基礎，實現對微型機器人的精密驅動和供電一體化，為微型機器人在極端環境中的廣泛應用提供能源和動力保障。

1 電機總體結構設計

考慮到超聲波電動機是振動電機，為了能更好地將電機運行過程中的振動能量采集回收，借鑒主流結構環形行波型超聲波電動機本體結構，設計的能量回饋型超聲波電動機結構如圖1所示。能量回饋型超聲波電動機主要包括錐面轉子和壓電定子兩大部分，錐面轉子通過緊固螺釘固定在輸出軸上，并通過端蓋、推力軸承的作用力，使之與壓電定子的錐面接觸。

圖1 能量回饋型超聲波電動機結構

壓電定子結構如圖2所示，它通過其基座上的四個螺釘孔安裝固定在底座上。壓電定子由激振壓電陶瓷環、能量采集壓電陶瓷環和帶錐面齒的金屬彈性體通過高強度粘結膠高溫固化構成，其中能量采集器壓電陶瓷環位于壓電定子頂部、金屬彈性體位于壓電定子中間、激振壓電陶瓷環位于壓電振子的底部，三者構成夾心式結構。金屬彈性體內側為錐面，與轉子錐面配合后形成摩擦驅動接觸面。

圖2 壓電定子結構示意圖

電機壓電陶瓷環的極化分區模式如圖3所示。激勵壓電陶瓷環采用主流環形行波型超聲波電動機壓電陶瓷極化分區模式[6]，如圖3(a)所示，整個激勵壓電陶瓷被極化分成兩個左、右區16個扇區，當壓電陶瓷被激勵時在定子內部產生9個行波。能量采集器壓電陶瓷環的極化分區模式如圖3(b)所示，整個壓電陶瓷環極化分區成18個扇區，相鄰兩扇區的極化方向相反。18個扇區可以同時采集定子運行過程中產生的振動能量，將其轉換成電能輸出。

(a) 激勵壓電陶瓷

(b) 能量采集壓電陶瓷

2 定子錐面結構設計

主流結構環形行波型超聲波電動機定、轉子摩擦接觸面是平面接觸，這種接觸形式忽略了定子齒頂表面質點徑向振動位移的影響。研究證明，徑向振動位移與軸向振動位移的幅值一般是一個數量級，會造成較大的徑向振動摩擦損耗，不利于提高電機的能量轉換效率。因此，能量回饋型超聲波電動機采用錐面結構實現定轉子間的摩擦驅動[7]，主要是為了充分利用定子齒面質點的徑向和軸向振動的合力，使之與接觸面垂直，增大接觸面的機械振動幅值，減少接觸面徑向振動的摩擦順好。因此，錐面結構的設計對定轉子摩擦接觸轉換起到至關重要的作用。圖4是錐面結構受力分析圖(只畫出轉子部分)，圖中黑粗實線代表錐面定轉子摩擦接觸結構，Fc表示接觸區域內轉子受到的預壓力，Fr表示其他接觸區域對該接觸區域施加的作用合力，N為該接觸區域定子對轉子的支承力，fs為該接觸區域內轉子受到的靜摩擦力，θw為錐面結構錐角。

圖4 錐面轉子結構受力圖

假設轉子穩定運行時，且定子錐面質點振動方向與轉子錐面完全垂直，此時定轉子接觸面之間不存在徑向滑動，由此可以建立轉子軸向振動的力平衡方程：

(1)

將fs=Nμs(μs為接觸面靜摩擦系數)代入上式得到：

(2)

由上式可知， 當θw=0時，式(2)變成：

(3)

此時，定轉子接觸面變為平面接觸形式。

當θw<π/2時，式(2)變成:

(4)

(5)

由式(3)和式(5)可知，要在定轉子接觸面產生相同的支撐力，錐面接觸結構所需的預壓力要比平面接觸結構小。本文電機定轉子錐面靜摩擦系數為0.2，則可計算得到錐面結構的錐角θw取值范圍為[22.5°,90°]。

3 定子特性分析

3.1 模態分析

根據圖2和圖4所設計的能量回饋型超聲波電動機定子結構，采用有限元方法對其特性進行分析，其中定子彈性體材料為黃銅，壓電陶瓷選用無錫海鷹公司生產的PZT-5A，極化方向沿z軸，錐角θw為45°，定子材料和結構參數如表1和表2所示。

表1 材料參數

表2 定子結構尺寸 mm

利用有限元分析軟件ANSYS10建立電機定子有限元模型[8-9]，壓電陶瓷采用8節點六面體耦合場SOLID5 作為單元類型，金屬基板采用8節點線性結構SOLID45 作為單元類型。由于壓電陶瓷和金屬基體之間的粘結層以及PZT表面電極的厚度很小，僅有幾十微米到幾百微米之間，在ANSYS中屬于薄膜結構，使用SHELL63單元作為單元類型。電機定子有限元模型如圖5所示。在該模型中對金屬基體、PZT等設置單元屬性和材料特性，然后，采用“vsweep”命令對定子實體模型進行掃略網格劃分。最后，通過“d”命令對基座內徑環面進行所有自由度的約束以及對PZT進行節點電壓自由度耦合后，計算可以得到電機定子的B0,9模態及其振動頻率，結果如圖6所示，該模態的振動頻率為54.0 kHz。

圖5 電機定子有限元模型

圖6 電機定子振動模態

3.2 輸出特性分析

給定子激勵壓電陶瓷分別施加兩個相位差為90°的正弦電壓激勵信號，如下：

(1)

式中：Am為電壓幅值；f為激勵頻率。對定子進行掃頻分析，掃描頻率范圍為[50, 60] kHz，定子結構阻尼系數為0.05，提取定子表面節點振動位移響應，其中定子表面節點分布如圖7所示， 1，2，3和4分別表示采集壓電陶瓷表面節點，5和6表示定子錐面頂點和低點處節點。計算得到上述節點的軸向振動位移和相位響應結果如圖8和9所示。由圖8和圖9可以看出，定子表面振動位移在54 kHz達到最大，這與模態計算分析結果是一致的，采集壓電陶瓷表面節點振動位移幅值最大達到1.77 μm，且定子錐面頂部和底部節點振動位移幅值基本保持一致，這有利于提高電機運轉的平穩性。

圖7 定子表面節點分布情況

圖8 定子節點振動位移響應

圖9 定子節點振動位移相位響應

圖10是采集壓電片輸出電壓幅值和相位相應的結果。可以看出，定子在諧振頻率54 kHz 處工作時，采集壓電片的輸出電壓達到最大180 V，且相位在此頻率處發生改變，由0°改變成-180°。由此可以計算得到采集壓電片輸出電流和平均輸出功率分別：

圖10 采集壓電片輸出電壓幅值和相位響應曲線

(6)

(7)

式中:f為激勵頻率；Cp=εrA/hp為采集壓電片電容；εr,A和hp分別為采集壓電片的介電常數、面積和厚度。計算結果如圖11所示。

圖11 采集壓電片輸出電流和功率

3.3 輸入導納特性分析

圖12是定子激勵壓電片輸入電流和相位響應曲線。可以看出，對于圖3(a)的激勵壓電片極化分區模式，每片激勵壓電陶瓷的輸入電流最大值為0.11 A。根據圖12計算得到的輸入電流，利用下式可以得到定子激勵壓電陶瓷的輸入導納特性曲線。

圖12 定子輸入電流幅值和相位響應

(8)

(9)

(10)

式中：Y，I和V分別為定子輸入導納、電流和電壓；G和B分別為電導和電納；ω為激勵信號角頻率。

圖13和圖14分別是計算得到的定子輸入導納特性曲線和導納圓。由圖13和圖14可以得到定子最小導納頻率fm、最大導納頻率fn、串聯諧振頻率fs、并聯諧振頻率fp、諧振頻率fr等參數。利用這些已知參數對定子等效電路模型參數進行識別，結果如表3所示。

圖13 定子輸入導納特性

圖14 定子輸入導納圓

表3 定子等效電路參數識別結果

3.4 能量采集區阻抗匹配特性分析

為了將采集輸出的電能對負載有效供電，需要對負載阻抗與采集壓電陶瓷的阻抗進行匹配處理。采集壓電陶瓷用一個恒流源I與夾持電容Cp并聯連接表示，如圖15所示[10]，Z為外部阻抗，V為采集輸出電壓，IZ為流經阻抗的電流，則外部阻抗的功率：

(11)

圖15 壓電陶瓷等效電路圖

圖16是負載阻抗匹配結果。可以看出，當負載阻抗為9kΩ時，其輸出功率達到最大0.7W，此時負載輸出功率接近采集壓電陶瓷輸出功率的50%。

圖16 采集區阻抗匹配

4 結 論

本文提出了一種具有振動能量采集功能的超聲波電動機，對其結構和特性進行了設計與分析，得到如下結論：

(1) 要在定轉子接觸面產生相同的支撐力，錐面接觸結構所需的預壓力要比平面接觸結構小；

(2) 錐面接觸結構有利于電機運行穩定性，降低定子徑向振動損耗；

(3) 電機諧振頻率為54kHz，電機振動位移幅值、采集輸出電壓、電流和輸出功率在諧振時達到最大；

(4) 當負載阻抗與采集壓電陶瓷阻抗匹配時，負載輸出功率達到最大，且為采集壓電陶瓷輸出功率的50%。

研究結果為能量回饋型超聲波電動機樣機制作和實驗研究提供了理論基礎。

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Design and Performances of an Energy-Feedback Type Ultrasonic Motor

WANG Guang-qing, GAO Shuai-shuai, LI Xiao-jun, YANG Bin-qiang

(Zhejiang Gongshang University,Hangzhou 310018,China)

To solve the precision actuate and self-power problems of the micro-robotics operating in an extreme environment, a novel ultrasonic motor with vibration energy harvesting function was proposed. The motor stator consisting of two groups of piezoelectric elements and a metal body is a conical sandwich structure. One piezoelectric element was used to convert the electric energy into mechanical vibration energy with the converse piezoelectric effect, the other piezoelectric element was used to harvest the stator vibration energy and convert it into electric energy with the piezoelectric effect. The structure of the motor and the polarization pattern of the piezoelectric elements were studied, and the electromechanical model of the ultrasonic motor stator was established with the finite element method. The vibration mode, resonant responding, input impedance and the energy harvesting performance were numerically studied. The results provide the theoretical guidance to develop the mechatronics device based on the piezoelectric principle.

vibration energy harvesting; ultrasonic motor; finite element method; structure design and analysis

2015-09-10

國家自然科學基金項目(51277165)；浙江省自然科學基金項目(LY15F10001)；浙江省教育廳項目(Y201223050)；浙江工商大學青年人才計劃項目

TM359.9

A

1004-7018(2016)03-0007-04