預壓力對超聲波電動機性能影響的實驗研究
王光慶
(浙江工商大學，浙江杭州310018)
摘要：簡單介紹了超聲波電動機的驅動原理，分別建立了電動機頻率特性、噪聲特性、溫度特性和機械特性等實驗平臺；在此基礎上，采用對比試驗法分別研究了預壓力對電動機諧振頻率、噪聲特性、機械特性、溫度特性以及電動機壓電陶瓷夾持電容等的影響。結果表明：電動機諧振頻率隨預壓力的增加而升高，而壓電陶瓷夾持電容卻隨預壓力的增加減小；增加預壓力可以避免電動機出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象，并能有效抑制電動機噪聲強度；適當?shù)念A壓力有利于提高電動機的機械性能和降低電動機因摩擦損耗產(chǎn)生的熱量。研究結果為超聲波電動機的設計和控制提供了參考依據(jù)。
關鍵詞：預壓力；超聲波電動機；諧振頻率；機械特性；實驗研究
中圖分類號：TM38 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)06—0004—03
0引言
超聲波電動機(以下簡稱USM)是一種利用頻率超過20 kHz的超聲波振動能為驅動源的新型精密超聲波電動機，與傳統(tǒng)的電磁型電動機不同的是USM沒有磁極和繞組，不依靠電磁相互作用來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉換成超聲波振動能進行驅動的。它具有響應速度快、低速大力矩、運行平穩(wěn)和電磁干擾等優(yōu)點而廣泛應用于工業(yè)控制、航空航天、精密儀器儀表和醫(yī)療器械等領域。
USM是一個非常復雜的強非線性耦合系統(tǒng)，它是一種涉及壓電學、材料學、機械振動學、摩擦學、電力電子以及控制理論等多學科交叉的精密機電一體化電機。因此，USM的性能受到諸多因素的影響，如結構參數(shù)、制造工藝、材料性能、預壓力以及驅動電源等。預壓力是決定USM性能好壞的關鍵因素之一，它對USM的影響主要有：(1)機械特性和振動特性；(2)諧振工作頻率；(3)噪聲以及模態(tài)混疊等特性；(4)溫度(發(fā)熱)特性；(5)壓電陶瓷(夾持電容)。目前預壓力對USM諧振工作頻率、噪聲、溫度特性以及夾持電容的影響研究很少[1-8]。
本文以研制的系列USM為研究對象，利用實驗分別研究預壓力對其機械特性、諧振頻率、噪聲、溫度特性以及夾持電容的影響進行研究和分析，力求從中得到預壓力與USM性能的內(nèi)在關系，為提高USM性能、改善USM的優(yōu)化設計和控制以及預壓力的設定提供參考依據(jù)。
1超聲波電動機的結構和運行機理
圖1為旋轉式超聲波電動機(USM)的結構圖，它主要由定子、轉子、壓電陶瓷和摩擦材料組成。轉子在軸承的作用下，通過自身的結構變形以一定的壓力與定子接觸；粘有壓電陶瓷(PZT)元件的復合定子把電能轉換為超聲波機械振動能，并通過定、轉子之間的摩擦作用將其傳遞給轉子，從而驅動轉子做旋轉運動。uSM的運行機理如圖2所示，定子金屬底面粘有兩組經(jīng)過極化的壓電陶瓷A、B，它們在空間上相差π/2,當給它們施加相位相差π/2的激勵電壓后，A、B兩組壓電陶瓷分別在定子表面產(chǎn)生一個駐波，兩個駐波通過疊加后，將在定子表面形成行波，同時定子表面質點作橢圓軌跡運動。當給轉子施加預壓力后，定子行波將推動轉子作旋轉運動，且運動方向與行波方向相反。
2預壓力對電機性能影響的實驗研究
2．1預壓力對諧振頻率的影響
圖3是uSM諧振頻率隨預壓力變化的實驗結果。從實驗中可以看出，在預壓力F1=O時uSM的諧振頻率和反諧振頻率分別為32．9 kHz和33.1kHz，當預壓力增大到F2=50 N時，其諧振頻率和反諧振頻率分別增大到34．96 kHz和35．42 kHz，但預壓力的增加造成機械導納幅值變小。這是由于增加預壓力時，相當于增加uSM定子結構體的剛度和振動阻尼，導致諧振頻率上升，定子振動幅值下降。這時預壓力可以等效成彈性系數(shù)為kf的彈簧元件，增大kf，，諧振工作頻率也隨之增加，也即增加預壓力，uSM諧振工作頻率增大。
2.2預壓力對電機噪聲特性的影響
uSM的噪聲實驗系統(tǒng)如圖4所示。不同預壓力下，uSM運行過程中產(chǎn)生的噪聲通過精密聲級計測量采集后，送入計算機進行FW處理并顯示。
圖5是不同預壓力下uSM噪聲的實驗結果，由圖可知，隨著預壓力的 |
