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模態混疊現象，并能有效抑制電動機噪聲強度；適當的預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。
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、運行平穩和電磁干擾等優點而廣泛應用于工業控制、航空航天、精密儀器儀表和醫療器械等領域。
USM是一個非常復雜的強非線性耦合系統，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、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)噪聲以及模態混疊等特性；(4)溫度(發熱)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性能的內在關系，為提高USM性能、改善USM的優化設計和控制以及預壓力的設定提供參考依據。
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的噪聲實驗系統如圖4所示。不同預壓力下，uSM運行過程中產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，隨著預壓力的增大，uSM噪聲強度降低。如圖5a所示，當F=0(給轉子一個很小的預壓力或轉子自重)時，噪聲強度達到了100 dB(A)(其中背景噪聲為55 dB(A)，采用A級權測試)，且噪聲的主要頻率成分約為fn1=4.06 kHz、如=8.15 kHz、fn3=12．02 kHz和fn4=16．05 kHz，其中以fn2和fn3噪聲的能量密度****；當預壓力增加到25 N時，如圖5b所示，噪聲強度降低到約80 dB(A)，同時噪聲主頻也發生了改變，主要集中在6～8 kHz之間和13～15kHz之間。當預壓力增加到，F=50 N時，uSM噪聲強度降到60 dB(A)，而噪聲主頻在1 kHz以內，且其能量密度也隨之降低，說明噪聲強度減弱，如圖5c所示。從圖5的實驗結果不難發現，改變定、轉子之間的預壓力不僅可以改變uSM噪聲強度的大小，還改變了uSM噪聲的主頻成分。
為了更進一步說明預壓力對uSM噪聲具有抑制作用，表1是通過增加預壓力的方法，對自制的系圖6--列usM噪聲進行抑制的實驗結果。表中所有數據均是在uSM****運轉狀態下測得的。由實驗結果可以看出，增加定轉子之間的預壓力，uSM的噪聲得以抑制，其中有的usM噪聲達到了商品化uSR30(日本新生公司生產)的性能。
2．3預壓力對電機溫度特性的影響
圖6是usM在不同預壓力作用下表面溫度特性的實驗擬合結果.可以發現,隨著預壓力的增大,
uSM的飽和溫度隨著升高，且表面溫度上升速度明顯加快。這主要是由于預壓力的增加使得uSM定轉子的滑動摩擦接觸面增大，如圖7a所示，弧AB表示定轉子接觸面，s1、s2和S3分別表示接觸面內產生的摩擦損耗，顯然，預壓力增大接觸面也增大，導致電機定轉子間的摩擦損耗增加，最終使usM發熱量增加導致飽和溫度和表面溫升速度都增大；當預壓力繼續增加到uSM堵轉時，定轉子間的滑動摩擦接觸區域達到整個行波波長，此時，uSM處于惡劣的運轉狀態，摩擦損耗急劇加快導致uSM溫度也急劇升高。而降低預壓力不僅可以減小接觸面，如圖7h所示，這時摩擦損耗也隨之減小，uSM的發熱量降低，表面溫度下降，這不僅有利于uSM的平穩運行，還能夠增加uSM的使用壽命，但是預壓力降低會使得uSM定轉子間的傳遞效率降低，從而影響uSM的輸出性能。
2．4預壓力對電機機械特性的影響
圖8是uSM機械特性隨預壓力的變化實驗結果。可以看出，預壓力小，uSM的空載轉速高，但其堵轉力矩卻小，此時，其輸出效率也沒達到****；隨著預壓力的增大，空載轉速逐漸下降，堵轉力矩逐漸增大，這主要是由于接觸面增大的緣故，此時，uSM的輸出效率也呈上升趨勢；但當預壓力增大到接近堵轉時，uSM的空載轉速急劇下降，此時，接觸面之間的摩擦損耗增大，輸出效率也隨之降低。由此可以得出：uSM的預壓力必須有一個適當的范圍，當預壓力過大，uSM轉速和效率將下降，而當預壓力過小，其輸出力矩和效率也將降低。
2．5預壓力對電機壓電陶瓷夾持電容的影響
圖9為預壓力對uSM夾持電容的影響的實驗結果。可以看出，不同的預壓力導致uSM夾持電容也不同，夾持電容隨著預壓力的增大而增加，這可以從壓電材料的等效電容依賴于其彈性變形和電位移特性來加以解釋。uSM在預壓力作用下，同樣的驅動電壓，由于uSM始終受到預壓力的作用，壓電陶瓷產生的彈性變形要小于預壓力為零時的彈性變形，大的彈性變形導致較大的夾持電容，也使得uSM的諧振工作頻率升高，這與前面的結論相吻合。
3結論
通過研究得到以下結論：
(1)超聲波電動機的諧振頻率隨預壓力的增大而增加；增大預壓力是抑制電機產生尖嘯噪聲的有效措施之一，增大預壓力，電機噪聲強度降低，且噪聲主頻成分也隨之改變；增加預壓力電機的發熱量和表面溫度也隨之升高，其性能隨之降低。
(2)usM的預壓力必須有一個適當的范圍，當預壓力增大，uSM堵轉力矩有所增大，但轉速和效率將下降，而當預壓力過小，其輸出力矩和效率也將降低。
(3)增大uSM定轉子之間的預壓力，可以減小壓電陶瓷夾持電容，uSM諧振工作頻率上升。
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