| 1 mm金屬柱微超聲波電機(jī)定子模態(tài)分析
曲建俊，陳會(huì)國(guó)
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：對(duì)彎曲旋轉(zhuǎn)實(shí)心金屬柱微超聲波電機(jī)的定予進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，找出了影響電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)的
主要因素，提出了設(shè)計(jì)原則。制作了三個(gè)定子直徑lmm微超聲波電機(jī)，它們的長(zhǎng)度為22ram，其工作頻率23kHz，
在激勵(lì)電壓峰一峰值為220V時(shí)，其****堵轉(zhuǎn)力矩為12μN(yùn)·m，空載轉(zhuǎn)速為1500r／min，并測(cè)試了該電機(jī)的空載特性。
關(guān)鍵詞：實(shí)心柱式微超聲波電機(jī)；定子振動(dòng)模態(tài)；影響因素
0引言
超聲波電機(jī)是20世紀(jì)80年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型驅(qū)動(dòng)器，其工作原理是由壓電陶瓷在彈性體的表面激發(fā)出橢圓運(yùn)動(dòng)，依靠定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦力推動(dòng)壓在彈性體上面的運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)。
因此它具有普通電磁電機(jī)所沒(méi)有的低速大轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、無(wú)電磁干擾、慣性小、控制特性好、定位精度高、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等突出特點(diǎn)，因而在工業(yè)控制、精密儀器儀表、航空航天、汽車專用電器、智能機(jī)器人等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。超聲波電機(jī)還可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲、間隙以及低效率、難于控制等一系列問(wèn)題。
超聲波電機(jī)是一種全新的自動(dòng)控制執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)元件，也是一種嶄新的傳動(dòng)形式，是對(duì)傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)原理的突破和有力的補(bǔ)充。二十世紀(jì)末期以來(lái)，超聲波電機(jī)技術(shù)得到了迅速發(fā)展，日本、美國(guó)、德國(guó)、新加坡、英國(guó)、韓國(guó)、意大利、荷蘭、瑞士等國(guó)的許多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都有人在研究和開(kāi)發(fā)超聲波電機(jī)技術(shù)。其中，日本和美國(guó)處于世界****地位。近年來(lái)，我國(guó)在這方面也取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，超聲波電機(jī)將在全世界范圍內(nèi)獲得廣泛的應(yīng)用，并將部分取代傳統(tǒng)的微、小型電磁電機(jī)，使人們的生產(chǎn)、生活更為便利.超聲波電機(jī)按照其特性有很多種分類方法，按定子振動(dòng)模態(tài)不同分為：行波型超聲波電機(jī)，駐波型超聲波電機(jī)，行波駐波混合型超聲波電機(jī)；按電機(jī)自身的形狀與結(jié)構(gòu)可以分為：圓盤(pán)或圓環(huán)型電機(jī)，柱狀電機(jī)，平板電機(jī)；按能量輸出方式分為：旋轉(zhuǎn)型電機(jī)，直線移動(dòng)型電機(jī)等。在所有的超聲波電機(jī)里，柱狀彎曲旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)被認(rèn)為是最易微型化、最易細(xì)長(zhǎng)化的超聲波電機(jī)，同時(shí)由于其制備工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，也是最容易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的超聲波電機(jī)。
柱式超聲波電機(jī)按定子基體材料和結(jié)構(gòu)的不同又可以簡(jiǎn)單的將其分類如下：
其中壓電片夾心式、壓電管式和壓電柱式超聲波電機(jī)出現(xiàn)的比較早，各自都有其獨(dú)特的特點(diǎn)，也部分在某些領(lǐng)域開(kāi)始應(yīng)用，但要再進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)微型化和產(chǎn)業(yè)化在工藝上都有難以克服的困難和不足之處。
本文研究了實(shí)心金屬柱彎曲旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)，它的定子是由一個(gè)粘貼壓電片的形狀為半圓半方形的金屬柱組成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于微型化的優(yōu)點(diǎn)。并用有限元軟件對(duì)定子進(jìn)行分析，找出了影響電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)的主要因素，得出了一些對(duì)定子設(shè)計(jì)有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)。制作了三臺(tái)定子直徑lmm微超聲波電機(jī)，并初步測(cè)試了其空載特性。
1金屬柱微超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理
本論文所研究的金屬柱微超聲波電機(jī)，主要由定子、輸出力矩的轉(zhuǎn)子以及給轉(zhuǎn)子加壓的預(yù)壓力機(jī)構(gòu)和封裝外殼組成，如圖所示，圖1為電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為組裝好的電機(jī)樣機(jī)照片。其封裝外殼的尺寸比較大，是考慮到組裝和調(diào)試的方便，其實(shí)可以做的非常小。
該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是整個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)罩在一個(gè)金屬外套里面，上套筒通過(guò)微軸承、聚四氟乙烯墊圈給小彈簧提供預(yù)緊力。上套筒和軸之間通過(guò)小軸承連接。轉(zhuǎn)子置于定子之上，是電機(jī)的動(dòng)力輸出部分。定子的下端直徑稍大的一段金屬柱做為它的夾持端，通過(guò)這一部分和固定裝置相連。
本文所述電機(jī)定子結(jié)構(gòu)如圖3所示。在構(gòu)成定子的金屬柱的側(cè)面加工出兩個(gè)相互垂直的平面，并在平面上貼上兩個(gè)帶有電極的矩形壓電片。壓電陶瓷片采用橫場(chǎng)振動(dòng)模式的PzT-4壓電陶瓷長(zhǎng)薄片，壓電片在交變電壓的激勵(lì)下會(huì)產(chǎn)生長(zhǎng)度方向上的伸縮運(yùn)動(dòng)。當(dāng)壓電片受到交變電壓作用產(chǎn)生伸縮振動(dòng)時(shí)，就會(huì)帶動(dòng)和它粘接在一起的金屬柱作彎曲振動(dòng)。
而為了改進(jìn)摩擦接觸界面間的壓力，把定子端面加工成錐形，從而增大了接觸壓力，改善了，接觸狀況。如圖3b所示，當(dāng)以接近共振頻率的交變電壓激勵(lì)x片時(shí)，定子會(huì)在x方向上激發(fā)出彎曲振動(dòng)；當(dāng)同樣激勵(lì)y片時(shí)，定子會(huì)在Y方向上激發(fā)出彎曲振動(dòng)。利用這兩個(gè)空間和時(shí)間上都相差90o的彎曲振動(dòng)，可以合成定子的彎曲搖頭運(yùn)動(dòng)；此時(shí)定子端面邊緣質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)。
定子的振動(dòng)模態(tài)對(duì)超聲波電機(jī)性能有重要影響，為此，必須搞清楚哪些因素會(huì)影響定子的模態(tài)。本文研究了定子的長(zhǎng)度、固定夾持方式和兩平面夾角等對(duì)定子的振動(dòng)模態(tài)的影響。
2電機(jī)定子模態(tài)分析
電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是定子設(shè)計(jì)，對(duì)其要求是使定子能夠在超聲頻段內(nèi)正常振動(dòng)，并且能量轉(zhuǎn)換效率又不能太低。下面我們主要從三個(gè)方面對(duì)影響定子振動(dòng)模態(tài)的岡素進(jìn)行研究。
2 1長(zhǎng)度對(duì)定子振動(dòng)模態(tài)的影響
長(zhǎng)度對(duì)定子振動(dòng)模態(tài)的影響主要表現(xiàn)在對(duì)振動(dòng)頻率的影響上，電機(jī)定子長(zhǎng)徑比過(guò)大時(shí)，它的共振頻率就會(huì)很低，反之，就會(huì)很高。而當(dāng)定子的共振頻率低于20 kHz時(shí)，電機(jī)工作在非超聲頻段內(nèi)，將會(huì)產(chǎn)生噪音。當(dāng)定子的共振頻率高于100kHz時(shí)，將會(huì)增加電能轉(zhuǎn)換的高頻損耗，降低電機(jī)效率，增加控制難度。所以，為了降低噪音、節(jié)省能量和控制上的方便，我們一般選擇電機(jī)工作頻率在20～100 kHz之間。
通過(guò)對(duì)直徑為1mm，兩平面夾角為90o，不同長(zhǎng)度的定了進(jìn)行建模，并借助于ANsYs有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析，得到了它們的二階共振頻率，計(jì)算結(jié)果如表1所示：
從表中可以看出，隨著定子長(zhǎng)度，的增加，定子兩個(gè)方向的固有彎曲頻率f2x和f2y都減小，當(dāng)長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，f2x和f2y比較接近。由此，我們可以推斷，當(dāng)用這兩個(gè)頻率之間的任一頻率來(lái)激勵(lì)定子時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)相互垂直的彎曲模態(tài)，從而使定子產(chǎn)生彎曲搖頭運(yùn)動(dòng)；這就說(shuō)明此定子在結(jié)構(gòu)尺寸上是合理的。
2 2固定方式對(duì)定子振動(dòng)模態(tài)的影響
在電機(jī)的整個(gè)結(jié)構(gòu)中，對(duì)定子安裝固定是非常重要的，但這勢(shì)必會(huì)影響到定子振動(dòng)模態(tài)的振型和共振頻率，固定方式對(duì)電機(jī)定子的模態(tài)也有很大的影響，為了找尋合理實(shí)用的定子模態(tài)，我們對(duì)各種固定方式進(jìn)行了嘗試，圖4是電機(jī)定子同定方式示意圖：
在分析過(guò)程中，我們選擇了兩種方案：一是在四個(gè)方向緊固，并變換軸向和周向位置。二是在兩個(gè)方向緊固，變換軸向和周向位置，以選取比較合理的振型和頻率。
圖5是我們的計(jì)算結(jié)果，從圖中可以看出，定子有兩個(gè)在空間上相互垂直的二階彎曲振型，繞X軸的二階彎曲振型和繞Y軸的二階彎曲振型，其頻率分別甩fx和fy表示。長(zhǎng)度為12 mm，直徑為l mm的定子的二階彎曲固有頻率fx=2l. 315 kHz，fy=21. 828 kHz。可以看出定子的這兩個(gè)相互垂直的二階彎曲固有頻率比較接近，當(dāng)用這兩個(gè)頻率之間的任一頻率來(lái)激勵(lì)定子時(shí)，會(huì)激勵(lì)出這兩個(gè)相互垂直的彎曲模態(tài)，從而使定子產(chǎn)生所需要的彎曲搖頭運(yùn)動(dòng)；這說(shuō)明本論文所采用的電機(jī)定子固定方式是合理和符合實(shí)際的。
通過(guò)分析和電機(jī)樣機(jī)的組裝、調(diào)試，得出以下兩個(gè)結(jié)論：
(1)固定位置適合在定子固定部分1／3以上，否則會(huì)引起定子彎曲變形部分結(jié)點(diǎn)上移，減弱定子的振幅，并且出現(xiàn)偏振現(xiàn)象，既振動(dòng)方向和x軸或y軸不是垂直的而會(huì)出現(xiàn)一個(gè)夾角。
(2)不適合用兩個(gè)方向固定，因?yàn)檫@種情況下可能出現(xiàn)兩個(gè)相互垂直的模態(tài)其共振頻率之間差別較大，從而增加控制和調(diào)試的難度。
2 3兩平面夾角對(duì)定子振動(dòng)模態(tài)的影響
以上所述的兩個(gè)平面在實(shí)際加工中，小可避免的會(huì)存在加工精度的問(wèn)題，出現(xiàn)兩個(gè)平面不完全垂直的情況，下面來(lái)分析一下當(dāng)這理論上相互垂直的兩平面問(wèn)的夾角大小改變時(shí)，對(duì)其振型和固有彎曲頻率的變化。我們?nèi)匀贿x擇定子的直徑D=1mm、長(zhǎng)度 l，=12mm，計(jì)算結(jié)果如表2所示。
從表中可以看出，隨著兩側(cè)平面的夾角φ的增大，彎曲頻率f2x和f2y都有增大的趨勢(shì)，但是兩個(gè)方向上的頻率f2x和f2y在φ=90o時(shí)最接近；同時(shí)在定子的振型陶中還發(fā)現(xiàn)，兩平面不相互垂直時(shí)，兩個(gè)二階彎曲振型方向不再垂直與對(duì)稱軸的方向。這樣定子端面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡也會(huì)不一致，定轉(zhuǎn)子間的能量轉(zhuǎn)換效率將會(huì)下降，影響電機(jī)的輸出性能
3微電機(jī)樣機(jī)的特性
做出了樣機(jī)，測(cè)試了定子直徑為1mm微電機(jī)的基本輸出特性。包括頻率一轉(zhuǎn)速特性、電壓轉(zhuǎn)速特性、相位差一轉(zhuǎn)速特性。
3 1轉(zhuǎn)速隨頻率的變化
在激勵(lì)電壓的峰-峰值Vp-p=222 v 下，初步測(cè)試了在兩路激勵(lì)電壓的相位差φ為90o時(shí)，空載轉(zhuǎn)速Ⅳ隨頻率的變化。如圖6所示。
從圖中可以看出，當(dāng)激勵(lì)電壓的頻率f在14～28 kHz之間時(shí)，電機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且隨著頻率的增加，電機(jī)的轉(zhuǎn)速先增加后降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)閷?duì)于一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)而占，當(dāng)激勵(lì)頻率發(fā)生變化時(shí)，它的振動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，必然導(dǎo)致輸出特性發(fā)生變化。當(dāng)激勵(lì)
頻率接近諧振頻率時(shí)，振動(dòng)會(huì)逐漸增強(qiáng)；當(dāng)頻率遠(yuǎn)離鑿振頻率時(shí)，振動(dòng)會(huì)逐漸減弱；所以圖中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)極大值。
3 2轉(zhuǎn)速隨電壓的變化
圖7是在頻率,f=22 kHz時(shí)，測(cè)得的相位差φ=90o時(shí)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速Ⅳ隨激勵(lì)電壓V的變化曲線。從圖中可以看出，在相位差φ=90o時(shí)，轉(zhuǎn)速都隨著輸入電壓的增大而升高。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，電機(jī)的定子是利用壓電陶瓷片來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的，由壓電陶瓷的壓電性能可知，當(dāng)外加電場(chǎng)的電壓增大時(shí)，其縱向形變也會(huì)增大，從而導(dǎo)致整個(gè)定子振動(dòng)的振幅也隨之增大。而振動(dòng)振幅的增大可引起撓曲響應(yīng)增大，導(dǎo)致定子邊緣質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的軌跡也隨著擴(kuò)大，所以會(huì)使電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨外加電壓的增大而升高。
3 3轉(zhuǎn)速隨相位差的變化
圖8是在工作頻率f=22 kHz、電壓Vp-p=220V下，測(cè)得的電機(jī)空載轉(zhuǎn)速Ⅳ隨著相位差φ的改變而變化的曲線。
從圖中可以看出電機(jī)在φ=90o左右時(shí)，順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)速N達(dá)到極大值；而電機(jī)在φ=270o
左右時(shí)，逆時(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)速N達(dá)到另一個(gè)極大值；當(dāng)φ=0o和φ=180o左右時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速N為零。
從理論上來(lái)講，當(dāng)激勵(lì)電壓相位差從0o到：360o改變時(shí)，轉(zhuǎn)速圖應(yīng)該符合正弦規(guī)律，但圖示卻出現(xiàn)了偏差。出現(xiàn)這種偏差的原因可能為：電機(jī)定子的兩個(gè)平面在加工時(shí)存在著誤差，兩平面并不相互垂直，而且整體結(jié)構(gòu)關(guān)于對(duì)稱軸也不完全對(duì)稱，所以定子在兩個(gè)方向上的彎曲振動(dòng)并不垂直，而且也不同型；使定子端面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡不完全一致，所以轉(zhuǎn)速圖象偏離了理論值。
4結(jié)論
針對(duì)電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)的影響因素進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究，找出了三個(gè)豐要的相關(guān)因素的影啊結(jié)果，得出了對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和調(diào)試有指導(dǎo)意義的結(jié)論，制作了l臺(tái)定子直徑lmm超聲波電機(jī)。該電機(jī)的定予為實(shí)心金屬圓柱體。這種電機(jī)比壓電柱電機(jī)有更犬的優(yōu)點(diǎn)：制造成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以做的非常小，適合微型化和產(chǎn)業(yè)化。在工作頻率f=22 kHz、激勵(lì)電壓Vp-p=220 v條件下，測(cè)試出該電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩約為T(mén)0=12 uN·m，空載轉(zhuǎn)速N=1500 r／min左右。
參考文獻(xiàn)
[1]褚祥誠(chéng)，李龍土壓電超聲微電機(jī)的研究壓電與聲光2001、23(4)：279-282
[2]羊全剛，張凱，周鐵英，等彎曲旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)接觸截面錐形角的分析與實(shí)驗(yàn)聲學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27(5)：413—419 |
