利用彎曲模態(tài)的慣性直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張陽陽， 姚志遠(yuǎn)， 張亞飛

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016)

利用彎曲模態(tài)的慣性直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

張陽陽， 姚志遠(yuǎn)， 張亞飛

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210016)

針對(duì)慣性直線超聲電機(jī)輸出力小、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題，通過改進(jìn)其結(jié)構(gòu)的振動(dòng)方式，提高其輸出力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。提出了一種新的結(jié)構(gòu)慣性直線超聲電機(jī)，該電機(jī)采用矩形板結(jié)構(gòu)，利用其彎曲振動(dòng)；分析該電機(jī)的工作原理，并利用了ANSYS workbench對(duì)定子的結(jié)構(gòu)振動(dòng)仿真分析，設(shè)計(jì)和制作了慣性直線超聲電機(jī)。樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)表明:它有較寬的工作頻率，運(yùn)行穩(wěn)定；在工作頻率為23.6 kHz時(shí)，最大運(yùn)行速度為197 mm/s;在工作頻率為23.2 kHz時(shí)，最大推力為7.3 N,慣性直線超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向會(huì)在某一頻率點(diǎn)突變。

超聲電機(jī)； 慣性直線超聲電機(jī)； 彎曲振動(dòng)

超聲電機(jī)(Ultrasonic Motor, USM)是一種新型微特電機(jī)，它是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)彈性體(定子)的振動(dòng)，并通過定、轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)之間的摩擦作用將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子(動(dòng)子)的旋轉(zhuǎn)(直線)運(yùn)動(dòng)。它具有位置和速度控制性好，位移分辨率高，不產(chǎn)生磁場(chǎng)，亦不受外界磁場(chǎng)干擾，能斷電自鎖，且具有較大的保持扭矩的優(yōu)點(diǎn)，在精密驅(qū)動(dòng)、生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1]。

慣性式直線型超聲電機(jī)具有體積小、重量輕、精度和分辨率高、響應(yīng)快，并且只需要一種模態(tài)就能驅(qū)動(dòng)，同一個(gè)電激勵(lì)信號(hào)就可實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)轉(zhuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但是，由于其輸出力小，限制了它的應(yīng)用[2-3]。國內(nèi)對(duì)于慣性式超聲電機(jī)的研究非常少，參考文獻(xiàn)[4]研究了一種慣性式的壓電電機(jī)，該電機(jī)定子主要由定子軸和復(fù)合壓電換能器組成，動(dòng)子為一帶有缺口和環(huán)形凹槽的環(huán)。該電機(jī)的驅(qū)動(dòng)主要是基于位移放大原理，復(fù)合壓電換能器加上方波激勵(lì)信號(hào)后，激發(fā)出層疊式壓電陶瓷堆伸縮變形，從而引起定子軸沿軸向方向往返速度不同的振動(dòng)。慣性式直線型超聲電機(jī)與該專利的相同之處在于都是利用慣性力來驅(qū)動(dòng)動(dòng)子，不同之處在于，超聲電機(jī)利用的是壓電陶瓷激發(fā)定子的共振來驅(qū)動(dòng)動(dòng)子，而該專利是通過壓電疊堆的方式來得到定子軸的振動(dòng)[5-9]。

現(xiàn)有的慣性式電機(jī)采用了結(jié)構(gòu)縱向振動(dòng)為工作模態(tài)，其振動(dòng)效率低、輸出力小。通常板結(jié)構(gòu)的彎振是比縱振更低階的模態(tài)，它具有更大振動(dòng)能量；彎振模態(tài)具有典型的峰谷特點(diǎn)，便于在節(jié)點(diǎn)處夾持，它更適合作為電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)[10-13]。

本文在慣性式壓電電機(jī)的基礎(chǔ)上，提出了一種利用彎振模態(tài)的慣性直線超聲電機(jī)，該電機(jī)有兩個(gè)蘭杰文振子且為板式結(jié)構(gòu)，分析了該超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)制，并且用有限元軟件分析了該電機(jī)的模態(tài)和響應(yīng)，研制了慣性直線超聲電機(jī)的樣機(jī)，并通過實(shí)驗(yàn)研究其運(yùn)行特性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)與工作機(jī)制

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

板式慣性直線超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置由定子、底板、動(dòng)子組成。定子中前端塊、夾持件、后端塊和陶瓷片用螺栓鏈接組成一個(gè)蘭杰文振子，為矩形板結(jié)構(gòu)。夾持件上的通孔和底板之間用螺栓鏈接。動(dòng)子為一個(gè)有缺口的圓環(huán)，可以通過螺栓保證與驅(qū)動(dòng)桿有一定的預(yù)緊力。振子的振動(dòng)采用矩形板的一階彎曲振動(dòng)，其壓電陶瓷安置在彎振模態(tài)的波峰處，兩個(gè)蘭杰文振子通過柔性鉸鏈連接且對(duì)稱放置，可以同時(shí)推動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿在對(duì)稱軸上運(yùn)動(dòng)。夾持件的通孔遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)桿，其目的是在共振時(shí)增大驅(qū)動(dòng)桿的振動(dòng)幅度。

圖1 慣性直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理

本文采用的壓電陶瓷上下分區(qū)極化，極化方向如圖2所示，在受到激勵(lì)后一端收縮，另一端膨脹，激發(fā)振子的彎曲振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)子前進(jìn)。如圖3所示的激勵(lì)信號(hào)，在狀態(tài)A，環(huán)形動(dòng)子處于初始位置。當(dāng)激勵(lì)電壓由A變化到B時(shí)，兩個(gè)振子發(fā)生面內(nèi)彎振帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)桿向前運(yùn)動(dòng)，環(huán)形動(dòng)子在靜摩擦力的作用下和驅(qū)動(dòng)桿一起平穩(wěn)地向上移動(dòng)一定距離Δd，當(dāng)激勵(lì)電壓快速降落到C時(shí)，驅(qū)動(dòng)桿向下運(yùn)動(dòng)，由于環(huán)形動(dòng)子的慣性力克服了滑動(dòng)摩擦力，而沒有跟隨驅(qū)動(dòng)桿向下移動(dòng)，而是繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)。在CD段驅(qū)動(dòng)桿和環(huán)形動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)方向相反，環(huán)形動(dòng)子由于摩擦作用而向前運(yùn)動(dòng)一定距離Δd后停止。當(dāng)激勵(lì)電壓到DE段，動(dòng)子又向前移動(dòng)一段距離Δd，如此周而復(fù)始，逐步積累位移，從而實(shí)現(xiàn)了動(dòng)子沿驅(qū)動(dòng)桿向上的連續(xù)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。電機(jī)的具體運(yùn)行方式如圖4所示。

圖2 壓電陶瓷的極化方向

圖3 方波電壓

(a)(b)(c)

(d)(e)(f)

圖4 電機(jī)運(yùn)行機(jī)理

Fig.4 The motor running mechanism

2 電機(jī)有限元仿真

利用Ansys workbench軟件對(duì)慣性式超聲電機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析。模態(tài)分析可以確定超聲電機(jī)的定子工作時(shí)的振動(dòng)模態(tài)和確定超聲電機(jī)的工作頻率范圍。而諧響應(yīng)分析可以判斷定子特定的模態(tài)能否被激發(fā)，可以得到定子振動(dòng)的幅頻曲線和相頻曲線。圖5為網(wǎng)格化后的有限元模型。

在workbench中采用的單元類型為solid186,壓電陶瓷材料采用solid227，矩形板為不銹鋼材料。模型的尺寸如表1所示，邊界條件為自由邊界，采用分塊Lanczos法進(jìn)行模態(tài)提取。一階彎振的振型如圖6所示。

表1 模型尺寸

該慣性式超聲電機(jī)采用的模態(tài)為一階彎振，模態(tài)分析結(jié)果顯示，一階彎振模態(tài)的頻率較低，為22.56 kHz。

圖5 網(wǎng)格化的模型

圖6 彎振振型

利用workbench進(jìn)行諧響應(yīng)分析時(shí)需要導(dǎo)入壓電模塊，壓電材料的的壓電常數(shù)和介電常數(shù)如表2所示，壓電陶瓷的極化方向如圖2所示。邊界條件為固定約束，采用full法進(jìn)行分析，加載的電壓為200 V，慣性電機(jī)的幅頻曲線和相頻曲線如圖7和圖8所示。

表2 壓電材料常數(shù)

圖7 幅頻曲線

圖8 相頻曲線

諧響應(yīng)分析表明，在信號(hào)Asin(2πft)激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)的響應(yīng)為Bsin(2πft+φ)。通常，φ與激勵(lì)頻率有關(guān)。如圖7和圖8所示，當(dāng)f<22.6 kHz時(shí)，φ=0；當(dāng)f>22.6 kHz時(shí)φ=180°。

3 機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)

3.1 掃頻實(shí)驗(yàn)

由于該慣性式超聲電機(jī)是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取其中的一半進(jìn)行掃頻實(shí)驗(yàn)。掃頻結(jié)果如圖9所示，共振響應(yīng)峰值有兩個(gè)，分別為24.3 kHz、26.0 kHz，分別對(duì)應(yīng)的是對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)，振型如圖10所示，該慣性電機(jī)利用的模態(tài)為對(duì)稱模態(tài)，在頻率24.3 kHz附近驅(qū)動(dòng)效果好。

圖9 掃頻實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(a)頻率24.3kHz振型(b)頻率26.0kHz振型

圖10 共振峰對(duì)應(yīng)的振型

Fig.10 Vibration modes in formant

3.2 驅(qū)動(dòng)速度和負(fù)載實(shí)驗(yàn)

慣性直線超聲電機(jī)不同于以往的兩相正交模態(tài)疊加的超聲電機(jī)，因?yàn)樗挥脝雾?xiàng)激勵(lì)就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。為了測(cè)試電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，利用AFG3022B信號(hào)發(fā)生器、HFVA-153功率放大器和LK-H150激光測(cè)速儀測(cè)定動(dòng)子運(yùn)動(dòng)速度與激振頻率的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)連接圖如圖11所示。

圖11 激光測(cè)速實(shí)驗(yàn)

激勵(lì)頻率變化范圍為22.9～24.4 kHz，采用的方波電壓條件為200 V。測(cè)速儀得到的結(jié)果如圖12所示，在頻率23.6 kHz左右兩側(cè)，動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生反向，最大速度為197 mm/s，實(shí)驗(yàn)也表明慣性直線超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向受激勵(lì)信號(hào)的振動(dòng)頻率影響，當(dāng)激勵(lì)頻率小于共振頻率時(shí)電機(jī)沿一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)激勵(lì)頻率大于共振頻率時(shí)電機(jī)沿反向運(yùn)動(dòng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)和圖7、圖8幅頻曲線和相頻曲線分析表明，在共振頻率附近，結(jié)構(gòu)響應(yīng)產(chǎn)生180°的相位差，這種相位差的不同會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的反向運(yùn)動(dòng)。

圖12 激光測(cè)速實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用吊砝碼的方式測(cè)量定子的負(fù)載大小，負(fù)載實(shí)驗(yàn)是分兩步完成的，在頻率22.8～23.6 kHz時(shí)，動(dòng)子向里走，電機(jī)的放置位置如圖13所示，此時(shí)動(dòng)子可以拖動(dòng)吊籃上升。在頻率23.6～24 kHz時(shí)，動(dòng)子向外走，此時(shí)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)180°，該力的結(jié)果取的是力的絕對(duì)值，動(dòng)子的最大驅(qū)動(dòng)力為7.3 N，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。

圖13 負(fù)載實(shí)驗(yàn)

圖14 負(fù)載實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型的慣性直線超聲電機(jī)，它的定子為兩個(gè)蘭杰文振子組成的對(duì)稱板式結(jié)構(gòu)，有利于提高電機(jī)的輸出力和運(yùn)行穩(wěn)定性。該電機(jī)采用的模態(tài)為板式結(jié)構(gòu)的一階彎振,彎振驅(qū)動(dòng)的電機(jī)能量大，輸出力大，在技術(shù)上是一種創(chuàng)新，同時(shí)彎振具有穩(wěn)定的節(jié)點(diǎn)，便于夾持。它利用動(dòng)子的慣性力克服摩擦力產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)前進(jìn),只需要單項(xiàng)激勵(lì)就能驅(qū)動(dòng)動(dòng)子的往返運(yùn)動(dòng)，因此也具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

利用有限元軟件分析了慣性直線超聲電機(jī)的模態(tài)和響應(yīng)，并且制作了該電機(jī)的樣機(jī)，然后進(jìn)行了機(jī)械特性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，該電機(jī)可在22.9～24.4 kHz范圍內(nèi)工作，運(yùn)行穩(wěn)定，電機(jī)的共振頻率為24.3 kHz。在工作頻率為23.6 kHz時(shí)，最大運(yùn)行速度為197 mm/s，在工作頻率為23.2 kHz時(shí)，最大推力為7.3 N。

慣性直線超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方向會(huì)在某一頻率點(diǎn)突變，根據(jù)掃頻實(shí)驗(yàn)的結(jié)果分析，電機(jī)運(yùn)動(dòng)方向突變的原因與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的相位差有關(guān)。

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Structural design for inertial linear ultrasonic motors using bending modes

ZHANG Yangyang, YAO Zhiyuan, ZHANG Yafei

(State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016， China)

The inertial linear ultrasonic motors have disadvantages, such as, small output forces and unstable structures. However, their output force and structural stability can be improved by modifying vibration modes of their structure. Here, a new structural design of an inertial linear ultrasonic motor was proposed. A rectangular plate structure was adopted for the motor to use its bending vibration modes. Then, the working principle of the motor was analyzed and the vibration of the stator was simulated and analyzed with ANSYS workbench software. Finally, the inertial linear ultrasonic motor was designed and manufactured. Tests of its prototype indicated that the motor has a wider working frequency range and its operation is stable; when the working frequency is 23.6 kHz, the maximum operation speed of the motor is 197 mm/s; when the working frequency is 23.2 kHz, the maximum thrust force of the motor is 7.3 N; the driving direction of the inertial linear ultrasonic motor has an abrupt change at a certain frequency point.

ultrasonic motor; inertial ultrasonic motor; bending vibration

國家自然科學(xué)基金(51275229)；國家重大儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ100225)；研究生創(chuàng)新基地(實(shí)驗(yàn)室)開放基金(KFJJ20150102)

2016-01-08 修改稿收到日期：2016-04-11

張陽陽 男，碩士生，1991年10月生

姚志遠(yuǎn) 男，博士，教授，1961年6月生

TM359.4

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.13.006