一種縱彎復合型超聲波電動機的設計與分析

胡百振，張建坤，項家駿，譚 坤 ，逄浩君

(上海航天控制技術研究所，上海201109)

0 引 言

隨著導彈、飛機、運載火箭、人造衛星等航天航空技術的發展，需要一種結構簡單、重量輕和沒有電磁干擾等要求的一種電機，超聲波電動機就是其中一種。該電機有以下特點:結構設計簡單、輸出力矩大、速度低，能夠快速響應和定位［1－2］。超聲波電動機的分類有多種，從電機的振動模態和模態組合形式，超聲波電動機可以分為復合型超聲波電動機［3］、駐波型超聲波電動機［4］、行波型超聲波電動機［5］?？v彎復合型超聲波電動機構設計靈活、模態組合方案豐富等優點，所以有許多學者開始研究縱彎超聲波電動機。陜西師范大學的李小平提出了一種縱彎復合模式多自由度超聲波電動機［6］;哈爾濱工業大學的石勝君于提出了一種大推力縱彎復合直線超聲波電動機［7］;陳維山等人提出了一種縱彎復合平面超聲波電動機［8］。以上縱彎超聲波電動機換能器分別有縱振陶瓷片和彎振陶瓷片組成，故需兩路不同的電路來激勵出兩種不同的振型，進而必須對兩路電路分別進行設計匹配，這樣就會給驅動電路的設計帶來麻煩，并且電機結構設計復雜。

針對原有的縱彎超聲波電動機的缺點，本文介紹一種新型縱彎復合型超聲波電動機，它具有結構簡單、匹配電路簡單、輸出力矩大等優點，介紹了電機的結構并對其運行原理進行分析，采用ANSYS進行模態簡并和瞬態分析，最后制作樣機并測定其輸出特性。

1 電機結構

圖1為縱彎超聲波電動機的二維示意圖。該電機是由支撐座、支架1、支架2、罩殼、動子轉接環、軸承、預壓力調節螺母、力矩輸出軸、換能器組件等組成。換能器組件包括4個縱彎超聲換能器，4個縱彎換能器均勻固定在電機殼體上，縱彎換能器由兩個指數變幅桿，振動陶瓷片，支撐板等構成，換能器結構如圖2所示［9］。該電機的預緊力通過預壓力矩形彈簧來調整，電機的換能器通過氧化鋁陶瓷轉遞給轉子，從而輸出機械運動。

圖1 超聲波電動機結構

圖2 換能器結構示意圖

2 電機的運行原理

本文設計的縱彎超聲波電動機由4個縱彎超聲換能器組成。該電機的運行原理:4個換能器設計為兩組不同的驅動電路，相對著的2個縱彎超聲換能器為一組驅動電路，運用振動陶瓷片的微小振動耦合成換能器的縱向和彎曲振動，通過改變輸入信號，實現超聲換能器驅動足表面的質點運動軌跡為橢圓運動，通過預緊力實現驅動足和動子之間的接觸摩擦，從而把換能器的微小運動轉換為動子的運動輸出。通過變換輸入信號的相位差值，可以實現電機動子反轉和改變橢圓軌跡的形狀，有效改善驅動質點振幅，增加接觸時間。圖3為電機縱彎換能器運動的振型圖。

圖3 一個周期換能器振型

3 電機設計與分析

3． 1換能器的模態簡并

縱彎超聲波電動機的設計關鍵就是換能器的模態簡并，模態簡并主要實現在一個頻率下的縱向振動和彎曲振動。本文將應用ANSYS對換能器有限元模型進行模態分析，在20 kHz以上頻率范圍找到所需要的縱振和彎振振型，實現在一個頻率下只存在縱向振動和彎曲振動。通過調整對頻率影響比較大的結構參數，實現換能器縱彎模態的簡并。圖4分別是換能器的彎振模態和縱振模態，縱彎特征頻率都在30．6 kHz左右。

圖4 換能器振型

3． 2換能器的瞬態分析

本文采用ANSYS對換能器模型進行瞬態分析，研究超聲換能器的運動軌跡。給超聲換能器上施加兩相交流電壓，該電壓的頻率為30．7 kHz，相位差1/4周期，電壓有效值為240 V。利用ANSYS的時間歷程后處理(POST26)得到換能器驅動足表面質點(節點26564)在30個周期內的位移－時間變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在t=0時刻，X和Z方向的位移都為零，沒有位移突變的產生，隨著外界激振的進行，X和Z方向的位移呈周期性變大的趨勢，當t=0．95 ms時，X和Z方向的位移均達到最大值，換能器的振動達到平衡，電機正常工作。利用有限元軟件ANSYS得到觀察點在Z－X平面內的運動軌跡，如圖6所示。由圖6可以看出，換能器質點的運動軌跡說明振子在激振開始時軌跡為不完整的橢圓，隨著外界激振的進行，換能器質點在Z和X方向的位移同時達到最大值，換能器質點的運動形成完整的橢圓運動軌跡。此時換能器達到平衡，超聲波電動機實現穩定的運行。

圖5 換能器質點的位移－時間變化曲線

圖6 換能器質點在Z－X平面內的運動軌跡

4 電機實驗測試

根據以上分析得到的電機結構參數，制作出換能器和電機的原理樣機，換能器和電機原理樣機及實驗平臺分別如圖7所示。下面通過實驗來測試電機的機械輸出特性。

圖7 超聲波電動機及實現平臺

為了研究電機的轉速隨電壓變化而變化的規律，給電機施加頻率和相位差恒定的交流電，電機的預緊力為370 N，測試電機在不同電壓有效值下電機的輸出轉速，如圖8所示。電機的空載轉速隨著電壓有效值而增加，當電機激勵電壓值為375 V，其空載轉速為48 r/min。

為了研究電機的轉矩和轉速隨電機預緊力變化的規律，給電機施加頻率、電壓有效值和相位差恒定的交流電，測試電機在不同預緊力下電機的輸出轉矩和轉速，如圖9所示。由圖9可知，電機的預緊力越大，電機的轉速越小。電機的最高轉速可以達到96 r/min，電機的最大輸出轉矩可以達到3．8 N·m。

圖8 電機轉速隨電壓變化的關系

圖9 不同預緊力下電機轉矩和轉速

5 結 語

本文研制了一種縱彎超聲波電動機，介紹了電機的結構并且對其運行原理進行了分析，該電機由4個超聲換能器組成。應用有限元法對換能器進行有限元分析，完成了換能器縱彎模態匹和瞬態分析，通過瞬態分析得出電機的運動軌跡為橢圓，通過實驗對電機進行了機械輸出特性測試，得到電機的最大轉速可以達到96 r/min，轉矩可達到3．8 N·m。

［1］ 趙淳生．超聲波電動機技術與應用［M］．北京:科學出版社，2007:1－10．

［2］ 陳維山，劉英想，石勝君．縱彎模態壓電金屬復合梁式超聲波電動機［M］．哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社，2011．

［3］ 袁松梅，劉明．縱－扭復合超聲振動加工系統設計及頻率簡并研究［J］．振動與沖擊．2016，35(5):8 －12．

［4］ 蔣春容，張津楊，陸旦宏等．駐波型直線超聲波電動機分析與測試［J］．微特電機．2015，43(12):45 －48．

［5］ 尹育聰，姚志遠，趙淳生．行波型旋轉超聲波電動機兩種組合方式的實驗研究［J］．中國機械工程．2011(1):84－87．

［6］ 李小云．縱彎復合模式多自由度超聲波電動機的研究［D］．西安:陜西師范大學．2012．

［7］ 石勝君，陳維山，劉軍考，等．大推力推挽縱振彎縱復合直線超聲波電動機［J］．中國電機工程學報，2010，30(9):55 －61．

［8］ 陳維山，郝銘，趙學濤，等．縱彎復合多自由度球形超聲波電動機的研究［J］．振動與沖擊．，2009(7):105－110．

［9］ 胡百振，李有光，趙淳生，等．新型縱彎超聲波電動機振子的設計與分析［J］．壓電與聲光，2014(3):353－356．