駐波方環直線超聲波電動機的特性分析與實驗研究

王笑竹，張 健

(營口理工學院，營口 115014)

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駐波方環直線超聲波電動機的特性分析與實驗研究

王笑竹，張 健

(營口理工學院，營口 115014)

在“跑道式”行波超聲波電動機的基礎上提出方環形駐波超聲波電動機，該電機上下橫梁關于水平方向對稱布置兩對凸齒，通過激勵不同陶瓷片來改變振子基體上凸齒的運動方向，實現超聲波電動機的正、反方向運動。借助ANSYS對振子基體及支撐部分進行了動態設計，分析了主要參數與振動頻率的關系。以理論分析的數據尺寸制作了樣機，驗證了理論的正確性，為駐波超聲波電動機的設計提供了依據。

超聲波電動機；駐波；凸齒；實驗研究

0 引 言

超聲波電動機具有定位精確摩擦自鎖等優點，受到了多種行業的廣泛關注。在實際工程中，即需要利用超聲波電動機的摩擦自鎖和無電磁干擾的優點，同時還要求超聲波電動機具有結構小、驅動方式簡單的特點。本文針對這些要求，設計了一種方環形超聲波電動機，方環形超聲波電動機是對現有行波直線“跑道式”超聲波電機的改造[2-3]，在相同頻率的駐波激勵作用下，通過激勵不同陶瓷片來改變振子基體上凸齒的運動方向，進而實現電機的兩向運動。

1 振子結構及面內彎曲振動模態

設計駐波超聲波電動機的關鍵是選取兩個同階固有頻率相等(或接近)的彎曲振型，同時保證凸齒在每一種彎曲模態下都處于合適的位置。方環形超聲波電動機采用自行式驅動方式，振子結構如圖1所示。上、下橫梁關于水平方向對稱布置兩組凸齒(以增大振幅進而提高凸齒的推動力)，在振子面內布置了與振子一體的支撐結構。該振子含振子基體、凸齒、陶瓷片、支撐結構。

圖1 超聲波電動機振子結構

由于超聲波電動機的振動頻率在20～80 kHz之間時，電機基體尺寸與振動頻率成反比，振動階次與振動頻率亦成反比。而本文設計的電機屬微小型產品，這就使得在20～80 kHz之間的可用模態減少[4]。按照圖2粘貼陶瓷片，振子在奇數階的振型時，下橫梁上的凸齒分別向兩方向運動，進而實現電機的雙向運動。當彎曲模態低于9階時，橫梁上凸齒難于布置在需要的位置，且振型不規則。因此本文選用第9階彎曲模態。

f1=60 690 Hz f2=60 694 Hz

借助ANSYS對振子進行模態分析，結構參數如表1所示，振子基體B9的兩個固有頻率f1=60 690 Hz和f2=60 694 Hz。利用簡諧駐波激勵振子上下橫梁陶瓷片，凸齒驅動導軌向左運動；當激勵振子左右梁陶瓷片時，凸齒會驅動導軌向右運動。

表1 方環形振子的結構參數

*注：h為振子基體參數；tk為凸齒厚度。

2 振子模態的基體參數分析

改變振子長度l可以大幅度地改變振子兩模態的固有頻率。由圖3知，在25.6～26.4mm范圍變化l時，當梁長增加時頻率降低(有利于增大振幅)，但頻率差增加，不利于振子的運動。

圖3 振子長度l與頻率的關系

由圖4可知，在其他尺寸參數不變的情況下，振子頻率與圓弧內半徑r呈正比關系。當r<4.3mm時，盡管振動頻率和頻率差都減小，但振型和凸齒的位置發生變化，影響振子的運動效果。

圖4 振子內圓弧半徑r與頻率的關系

3 支撐結構對模態的影響

為方便超聲波電動機快速起動、保證精準定位，要求支撐結構有足夠的剛度。在設計與加工時應盡量滿足優選的結構參數。本文選用直梁型柔性鉸鏈連接振子基體與支撐結構。由圖5可知，柔性鉸鏈在力矩的作用下可以產生較明顯的彈性變形，柔性鉸鏈距振子基體豎梁的距離C=4mm時，模態1(f1=60.69kHz)頻率均減小，模態2(f2=60.69kHz)頻率均增大，因此頻率差Δf=|f1-f2|也隨之增大。

圖5 支撐距離C與頻率的關系

由圖6知，鉸鏈水平長度cl對Δf=|f1-f2|影響不大，但超聲波電動機振動頻率不是諧振頻率，影響了電機的運行效果。

經有限元分析知，當鉸鏈的厚度ch>0.8mm時，超聲波電動機振子基體振型變化明顯，波長、振幅不一致，導致超聲波電動機不能正常工作。支撐結構參數對電機性能影響較大，因此在加工過程中要嚴格按照給定偏差范圍加工。圖7為支撐結構參數ch與頻率關系。

圖6 支撐結構參數cl與頻率關系圖7 支撐結構參數ch與頻率關系

4 實驗研究

考慮到加工振子和粘貼陶瓷片時材料的實際參數與理論參數存在差異等因素，按照有限元軟件分析結果制作了電機，驗證設計的準確性。

圖8 實驗裝置

如圖9所示，樣機振子用黃銅材料制作，為了便于記錄測試數據，對陶瓷片進行編號，記為P1,P2,P3,P4，每片陶瓷片所在梁的編號是1,2,3,4，四個凸齒編號是t1,t2,t3,t4。

圖9 方環形振子

測試時設定激振電壓峰-峰值為200V，模態固有頻率分別為f1=60.69kHz,f2=60.69kHz，Un為每個直梁段一個波峰處的峰-峰值，下標n代表直梁段編號。

表2 每組陶瓷片的諧振頻率

從表2中可知，實驗測得數據與理論數據不同，Δf=210Hz。主要原因是未考慮膠層對彎曲模態的影響，另外材料屬性參數與理論參數的差異也是原因之一。

本文所設計的電機為自行式，所以還為電機設計了導軌。圖10是將電機安裝在導軌上的照片。以簡諧信號激勵電機，振子沿導軌作往復直線運動。

圖10 樣機模型

由圖11知，激勵P2,P4陶瓷片時，下橫梁凸齒交替工作，當激勵電壓峰峰值升高時，缺點被放大。但激勵電壓為200V時，電機仍能獲得速度一致的兩向運動。

圖11 電壓-速度特性曲線

圖12表明激勵電壓峰-峰值為280V時負載與速度呈線性變化，當激勵電壓峰-峰值為300V時，負載與速度只在一段內呈線性變化。

圖13表明功率速度特性曲線呈拋物線變化規律，激勵電壓峰-峰值為300V與280V相比，相同速度下，300V電壓下所能激發的功率更高。

圖12 負載-速度特性曲線(一側驅動齒)圖13 功率-速度特性曲線

5 結 語

本文在“跑道式”行波直線超聲波電動機的基礎上，提出了方環形駐波超聲波電動機，利用ANSYS對結構參數及支撐參數進行了優化設計，確定了最終尺寸，并討論了振子長度L、內圓弧半徑R、支撐距離Z與頻率之間的關系。在理論研究的基礎上，制作了電機樣機，實驗測得頻率52 760 Hz/52 550 Hz與理論分析頻率60 690 Hz/60 694 Hz有210 Hz的差距，這主要是忽略膠層對模態影響等原因造成的。但振子在52 760 Hz/52 550 Hz下仍能得到9階彎曲模態，且能激發出較高的振幅，實驗證實電機在這一頻率下能實現正、反方向運動。

[1] 上羽貞行，富川義郎.超聲波馬達理論與應用[M].楊志剛，鄭學倫,譯.上海:上海科學技術出版社，1998.

[2] 王宏祥.環形行波直線超聲波電動機的研究[D].錦州：遼寧工學院，2005:53-64.

[3] 王紅靜.一類環形行波直線超聲波電動機振子的數值與實驗研究[D].錦州：遼寧工學院，2005:37-46.

[4] 何勍，SEEMANN W.環形直線行波超聲波電動機定子的模態分析[J].壓電與聲光，2003，25(6):515-516.

[5] 何勍，SEEMANN W.一類行波型直線超聲電機定子的優化設計[J].壓電與聲光，2004，26(6)：497-499.

[6] SEEMANN W. A linear ultrasonic traveling wave motor of the ring type[J].Smart Materials & Structures，1998，5(3):361-368.

Characteristic Analysis and Experimental Research on Vibrator of Square-Ring Type Linear Standing Wave Motor

WANG Xiao-zhu，ZHANG Jian

(Yingkou Institute of Technology，Yingkou 115014，China)

Square-annular standing wave ultrasonic motor was proposed which is based on the “runway” type traveling wave ultrasonic motor. The motor's crossbeam has two convex teeth which is symmetrically arranged about the horizontal, excitated of different ceramic plate to change the direction of the convex tooth's movement, to achieve ultrasonic motor's motion. The dynamic design of the vibrator and the support was made using ANSYS, and the relationship between the main parameters and vibration frequency was analyzed. A prototype was manufactured by the theoretical analysis data to verify the correctness of the theory. It provides the basis for the design of ultrasonic motor.

ultrasonic motor; standing wave; convex teeth; experimental research

王衛軍(1984-)，男，博士，研究方向為工業自動化、工業機器人、電磁制動器、減速器等。

2015-03-04

TM359.9

A

1004-7018(2016)02-0034-03