壓電疊堆驅動式超聲電機設計

梁亞成,路國緯,虞賽君,萬澳德

(1.合肥市軌道交通集團有限公司,安徽 合肥 230000;2.合肥市軌道交通集團有限公司運營分公司,安徽 合肥 230000;3.合肥工業大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引言

超聲電機具有無電磁干擾、噪聲較低、分辨率高、斷電即可自鎖、結構簡單緊湊等優點[1],可應用于半導體裝備驅動、精密測量和精密制造[2]等領域。1948年,Williams 和Brown聯合申請了世界上第一個壓電馬達專利[3]。從20世紀80年代起,超聲電機進入飛速發展階段。國內許多團隊進行了此方面的研究,如朱華等[4]設計的貼片式四足超聲電機,在激勵電壓峰-峰值為200 V時電機最大速度為130 mm/s;王瑞鋒團隊設計的單相駐波驅動旋轉型超聲電機[5],電機在峰-峰值為300 V的激勵電壓下最大轉速達到123.9 r/min(順時針)和450.9 r/min(逆時針);王鑫等[6]設計的貼片式縱彎復合型超聲電機,實現電機最大推力0.48 N。

現有超聲電機大多采用陶瓷片[7]粘貼金屬彈性體構成定子結構,利用壓電陶瓷的d31模式[8]進行激勵,但是此激勵方式受到膠層與金屬層剪切耦合的影響,輸出性能受到嚴重制約。相同尺寸參數的壓電材料,壓電系數d33約為d31的2倍,d33模式開路輸出電壓約為d31模式開路輸出電壓的20倍[9]。為了提升超聲電機的輸出性能,本文研究了利用壓電陶瓷d33模式的激勵特性,以若干壓電陶瓷片通過機械串聯和電學并聯的方式,形成壓電疊堆,驅動轉子旋轉。此研究為后續研制大輸出轉矩超聲電機提供了思路。

1 電機結構及工作原理

1.1 電機結構

圖1為電機的三維結構。電機定子通過螺釘固定在底座上,底座中部鏤空,以便定子中壓電疊堆的接線與裝配。螺帽旋轉可達到調節預緊力的目的,中間圓孔實現了轉子輸出軸的輸出。

1.2 工作原理

電機是利用換能器的縱向振動和圓筒徑向彎振的組合方式進行工作。如圖2所示,當給壓電疊堆施加高頻的交變激勵電壓后,壓電疊堆產生的橫向伸縮被位移放大機構轉換為縱向振動,當換能器縱振振動頻率與電機定子中圓筒徑向彎振的特定模態頻率一致時,可以在定子圓筒中激勵出特定的彎曲振動行波。本文實驗采用自制的尺寸為7 mm×7 mm×26 mm壓電疊堆[10]。

圖2 換能器結構

2 定、轉子結構設計與仿真

2.1 定子結構設計

圖3為定子結構圖,它包括圓筒、驅動齒、4個微位移放大機構(換能器)和4個定子固定端。4個微位移放大機構對稱式分布在圓筒外側,微位移放大機構的小端和圓筒外側結合,末端與各個定子固定端相連。定子中各部分無需額外的連接配合,可通過線切割技術直接加工切割。位移放大機構、圓筒及固定端的一體化設計使定子結構更簡單。同時,直接使用一體化設計而未通過如螺栓連接的方式進行配合,這使各部件在運作時不會給定子振動帶來不利影響。

圖3 電機定子結構圖

換能器中壓電疊堆的激勵電壓信號如圖4所示。兩組換能器中的兩相交流激勵信號的幅值、頻率均相同,激勵信號頻率為定子的共振頻率。當兩相交流激勵信號的相位差為π/2時,定子圓筒內側每個換能器產生的駐波合成為彎曲振動行波。若調整兩相激勵信號輸入時的相位,使其相位差為-π/2,則可在圓筒中激勵出與相位差為π/2時運動方向相反的行波,從而使轉子的轉動方向換向。

圖4 兩相電壓激勵方式

2.2 轉子結構設計

本文設計的轉子部件如圖5(a)、(b)所示。考慮到定子驅動齒和轉子接觸面的摩擦區域為驅動齒末端邊緣,為了有效利用驅動齒的上、下兩端,提高定子輸出利用率,在設計時將轉子分為活動轉桿和活動圓錐柱兩部分,上、下兩部分通過鍵連接,如圖5(c)所示。

圖5 電機轉子結構圖

電機定、轉子間通過圓筒的驅動齒與轉子接觸面的摩擦耦合進行傳動,因此,定、轉子間需要施加合適的預壓力,以保證它們之間有良好的接觸和驅動效果。基于以上要求,本文設計了一個螺母-彈簧配合系統,該系統可實現定、轉子之間預壓力的調節。如圖6所示,順時針旋轉螺母,增大定、轉子間的預壓力;逆時針旋轉螺母,減小定、轉子間的預壓力。

圖6 定、轉子配合圖

2.3 仿真分析

利用COMSOL仿真軟件對定子結構進行模態仿真,研究了振動頻率大于20 kHz時定子的振型和受力情況。仿真發現,在26.321 kHz頻率下定子圓筒共振時節圓數為0、節徑數為3(即圓筒徑向彎振模態B(0,3))。在此模態下驅動轉子時不會因產生軸向的驅動力而導致轉子軸向跳動,驅動效果很好。

綜上所述,對頻率26.321 kHz下的定子進行瞬態仿真,分析了定子的運動軌跡,如圖7所示。圖中,t為運動時間,n為正整數,T為驅動信號的周期。當圖7(a)-(d)連續運動時,定子圓筒內的驅動齒對轉子接觸面產生徑向推力,從而使轉子順時針轉動。

圖7 26.321 kHz時定子運動軌跡

3 實驗測試

3.1 實驗裝置

電機樣機裝置及實驗測試裝置如圖8、9所示。信號發生器(DG1022U)產生正弦波激勵信號,經功率放大器放大,為電機提供驅動電壓。示波器(TBS1102B)用于監測施加在壓電疊堆上激勵信號的頻率與幅值,以及兩相交流信號的相位差。實驗測試時可根據示波器的反饋隨時對輸入信號進行調整。霍爾傳感器(TOSHIBA (東芝) TSH119)及其后續處理電路用于測量超聲電機轉速等數據。

3.2 實驗測試

通過上述仿真結果可知,在一定頻率范圍內電機定子均可對轉子進行驅動,所以可通過固定驅動信號的幅值、調節驅動信號頻率的方式來確定電機大致的工作頻率范圍。圖10為電機系統在激勵電壓峰-峰值200 V下,電機的轉速與頻率的關系。

圖10 電機轉速與頻率

由圖10可看出,在激勵信號峰-峰值為200 V下,電機轉子可穩定勻速轉動的起始頻率為25.8 kHz,轉子轉速為31.71 r/min;當激勵信號頻率達到25.95 kHz時,電機轉子轉速達到最大值39.46 r/min。通過分析可初步得出該樣機的實際最佳工作頻率為25.95 kHz,比COMSOL軟件仿真分析得出的最佳工作頻率(26.321 kHz)小0.371 kHz。針對此現象,對電機的整體情況進行分析,本文認為實際最佳工作頻率與仿真得出的結果存在差異,其原因有以下兩點:

1) 由于壓電疊堆中各壓電陶瓷片間的連接方式是通過環氧樹脂膠粘貼,因此,各壓電疊堆的總長度存在細微的誤差,這造成定子結構與壓電疊堆形成裝配體后,在相同的驅動電壓下各換能器的振幅存在偏差。

2) 電機定子通過螺栓與底座固定,該固定方式與仿真環境中的固定約束條件存在一定偏差。

改變施加在壓電疊堆上交流信號的幅值,電機轉速與電壓間的關系如圖11所示。

由圖11可看出,在超聲電機的最佳工作頻率(25.95 kHz)下,輸入到壓電疊堆的兩相交流激勵信號的電壓幅值越大,電機轉速越快。當施加的電壓幅值達到310 V時,電機的輸出轉速達到42.55 r/min。同時,當電機在激勵電壓為250～310 V時,電機的轉速與激勵電壓呈一定的正相關關系。通過計算擬合,在該范圍內電壓幅值與電機轉速關系曲線可表示為

θ=0.162 2×V-7.73

(1)

式中:θ為電機轉速;V為激勵電壓峰-峰值。

在工作頻率為25.95 kHz,激勵電壓峰-峰值為310 V時,得到電機轉速與扭矩的關系如圖12所示。

由圖12可見,本文設計的電機在激勵電壓峰-峰值310 V下,最大輸出扭矩可達0.8 N·m。

4 結論

本文設計了一種壓電疊堆驅動式行波超聲電機。依據壓電疊堆小位移、大輸出力的特點,并結合位移放大機構設計了新型驅動方式。經過實驗測試與分析,本文設計的超聲電機在激勵信號電壓峰-峰值為310 V,驅動頻率為25.95 kHz時,其輸出轉速為42.55 r/min,最大輸出扭矩為0.8 N·m。該設計為研究新型超聲電機提供了新的設計思路,具有較高的研究意義。

通過進一步分析,本文設計的超聲電機還有以下幾點待改進:

1) 本設計中定子圓筒與電機轉子的接觸方式為線接觸,后續可在增大接觸面積以提升耦合效率的方向進行探索,進一步提高定子輸出力。

2) 電機定子與底座的固定方式使電機體積較大,后期可從小型化方面開展研究。