| 無接觸旋變位置反饋超聲波電機組件一體化設(shè)計
摘要：文章介紹了以無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器為位置反饋的超聲波電機組件的一體化設(shè)計。該紹件具有體積小性能高、控制性能優(yōu)越、可靠眭好的優(yōu)點。說明設(shè)計正確，工藝可行。
關(guān)鍵詞：超聲波電動機；無接觸旋變； 體化設(shè)計
O引言
超聲波電機是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的‘種新型電機，同傳統(tǒng)的電磁馬達和靜電馬達比較，它具有如下特點：結(jié)構(gòu)簡單、易于小型化；轉(zhuǎn)速低、力矩密度大、不需要減速
機構(gòu)可直接驅(qū)動負載；慣性小、響應(yīng)快、控制性能好、定位精度高；不受磁場影響、同時電不產(chǎn)生磁場；不需要潤滑劑、運行安靜無噪音等。它完全可以取代傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的伺服機一一齒輪、減速器一一制動器三位一體的組合，且其體積卜有明顯的優(yōu)勢，在武器裝備中將會得到大量應(yīng)用。超聲波電機為了檢測位置信號一般采用光柵為反饋元件，旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋元件和光柵相比較具有環(huán)境適應(yīng)性好，可靠性高，溫度適應(yīng)性強等特點，一般用于使用環(huán)境比較惡劣的條件下。本文介紹了一種以無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器為位置反饋元件的超聲波電機組件的一體化設(shè)計方法。
1一體化工程設(shè)計
整個組件可分為超聲波電機和位置反饋兩個部分。
超聲波電機部分是國內(nèi)研究比較早，現(xiàn)在也是最成熟的①60mm環(huán)形行波超聲波電動機；位置反饋部分是一個單極的無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器。對旋變采用分裝式設(shè)計，將超聲波電機的軸伸直接
延長，將旋變轉(zhuǎn)子直接固定在轉(zhuǎn)軸上，并在超聲波電機部分的機殼上給旋變定子留安裝位置。組件結(jié)構(gòu)圖如圖l所示。
圖1超聲波電機組件結(jié)構(gòu)圖
對旋變進行分體式設(shè)計，安裝方便易行，電機組件運行安全日j靠。待旋變參數(shù)及精度經(jīng)測試達到指標后再與超聲波電機相連。這種結(jié)構(gòu)避免了將旋變和超聲波電動機矗接作成體，山于一方不合格而造成的浪費；義避免r將旋變設(shè)計成組裝式結(jié)構(gòu)，用連軸器將其與電機連接造成的不同心和徑向跳動，同時也利于減少體積。該種組件結(jié)構(gòu)適合于工程化生產(chǎn)。
1 1超聲波電機結(jié)構(gòu)設(shè)計
電機主體主要是由定予、轉(zhuǎn)子等部件組成。定子是壓電陶瓷和諧振體粘結(jié)而成，轉(zhuǎn)子是由轉(zhuǎn)予片及粘結(jié)在轉(zhuǎn)子表面上的摩擦材料組成。對電機進行了無碟簧設(shè)計。以往超聲波電動機在調(diào)節(jié)
電機壓力時采用轉(zhuǎn)子上加碟簧的辦法。因為碟簧加工難度比較大，尺寸以及彈性都比較難控制。現(xiàn)在由轉(zhuǎn)子的形變直接產(chǎn)生壓力，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子片的變形量來調(diào)節(jié)電機的預緊力，轉(zhuǎn)子片起到了以前的轉(zhuǎn)子片和碟簧的雙重作用，從而使電機受到的壓力更均勻，電機運行時更平穩(wěn)。
諧振體材料選用錫青銅棒和硅青銅棒，該兩種材料經(jīng)熱處理工藝后具有高的強度、彈性及耐磨性。
轉(zhuǎn)子片材料選用高強度硬鋁棒Lc4 cs，經(jīng)熱處理工藝后具有較高的彈性，可防止轉(zhuǎn)子由于壓力過大而超過疲勞極限的情況產(chǎn)生。在轉(zhuǎn)子與軸的連接上采取從轉(zhuǎn)子下方固定轉(zhuǎn)軸的方式，從而使電機的軸向長度減少，體積更小。
1 2壓電陶瓷選擇
壓電陶瓷是壓電超聲馬達的核心，對其性能的影響重大。一般說來，對于工作在諧振狀態(tài)的超聲馬達來說，要求壓電陶瓷材料滿足下列要求：
(1)壓電陶瓷材料的壓電性能穩(wěn)定，抗老化性能好；
(2)居里點較高，可在較寬的溫度范圍內(nèi)工作；
(3)機械強度好，在大功率下工作不容易發(fā)生斷裂；
(4)較高的壓電常數(shù)d，實現(xiàn)低電壓驅(qū)動和大的輸出力矩；
(5)高的機電耦合系數(shù)Kn；
(6)低的介電損耗tan占值、高的機械品質(zhì)因數(shù)Q。，可提高壓電陶瓷器件的效率和降低損耗；
(7)較寬的工作頻帶。
實際上，目前很難有一種壓電陶瓷材料能同時滿足以上所有要求，在實際使用中，需要根據(jù)不同的場合和主要矛盾來選擇。對于目前常用的壓電陶瓷來說，壓電陶瓷可分為軟性壓電材料、
硬性壓電材料以及性能介于軟、硬性之間的壓電材料。在實際應(yīng)用中，對于需連續(xù)運轉(zhuǎn)或由電池供電的應(yīng)用環(huán)境，就要求損耗盡量小，抑制發(fā)熱，這時采用硬性壓電材料就比較合適。而對于那些間歇工作且希望有較寬工作頻帶的應(yīng)用，選用軟性壓電材料可使超聲波電機工作更穩(wěn)定。
表1是目前國內(nèi)超聲馬達應(yīng)用較多的壓電陶瓷材料與本文選用的陶瓷片的主要性能比較表。
其中：K：機電耦合系數(shù)；e：介電常數(shù)；tan占：介電損耗；Q。：機械品質(zhì)因數(shù)；dⅢ壓電常數(shù)。
1 3摩擦材料、粘結(jié)劑的選擇和改進
對摩擦材料一般有如下要求：
1)具有合適的摩擦系數(shù)，并與定子表面耦合較好；
2)耐摩性好；
3)具有高的熱穩(wěn)定性，電機溫度變化的情況下，不得出現(xiàn)性能與常態(tài)大幅波動現(xiàn)象。摩擦材料的生產(chǎn)工藝路線有層壓法、共混法、粘涂法、及噴涂法四大類型。層壓法適于大批
量生產(chǎn)；粘涂法適于中小批量，配方調(diào)整方便，能做出多種硬度、多種摩擦系數(shù)的配方。我所在九五期間首家采用粘涂技術(shù)研制成硅、鋁兩類粘涂料，填補了國內(nèi)空白。在此次研制中對原有粘涂材料進行了改進，配方為AF高溫樹脂+NG一03改性劑+摩擦系數(shù)調(diào)節(jié)填料+硬度調(diào)節(jié)填料+KH550硅烷偶聯(lián)劑。在使用中摩擦材料摩擦系數(shù)適中，溫度變化時性能穩(wěn)定，電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，取得了較好的效果。
電機用的粘結(jié)材料，主要用于壓電陶瓷與振動體的粘結(jié)。我們改進了配方，采用了新型低黏度增韌劑和高性能偶聯(lián)劑，在保證粘結(jié)強度的前提下，降低了施工黏度，取得了很好的效果，電機經(jīng)受了惡劣環(huán)境考驗，目前已經(jīng)成功的應(yīng)用于電機中。考慮到電機生產(chǎn)的工程化，我們還在膠粘劑中使用了某單組分環(huán)氧膠，也取得了不錯的效果。
1 4無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器設(shè)計 位置反饋部分采用分裝式無接觸旋轉(zhuǎn)變壓器，見下圖2。
無接觸旋變由旋變部分和環(huán)形變壓器部分組成，旋變輸出方輸出兩路信號，一般炫變變壓器帶有電刷脫離滑環(huán)，在是用過程中、存在接觸不可靠、電刷脫離滑環(huán)的現(xiàn)象，大大影響了系 統(tǒng)的工作可靠性。為增加可靠性，我們采用無接觸旋變，它利用環(huán)形變壓器通過電磁感應(yīng)將電信號由定子方傳輸到轉(zhuǎn)子方，取消了電刷、滑環(huán)。
其中：蝎——變比；Ⅲ激磁電壓；目轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角。環(huán)形變壓器的原方(激磁方)和旋變的副方(輸出 方)構(gòu)成無接觸旋變的定子，而旋變的原方和環(huán)形變壓器副方則構(gòu)成無刷旋變的轉(zhuǎn)子。因此，信號輸入和輸出端均在固定不動的定子上，由于環(huán)形變壓器的作用使得定、轉(zhuǎn)可靠性。分裝式無接觸旋變還具有安裝方便的特點。
2組件實例
該組件經(jīng)與驅(qū)動線路聯(lián)調(diào)后，可達到如下指標：
輸出轉(zhuǎn)矩：O．80N·m；輸出空載轉(zhuǎn)速：≥100rpm；電機效率大于百分之27。
該組件并經(jīng)過如下環(huán)境試驗：
振動：一頻率10~500Hz, i幅O．75m，加速度lOOⅢ／s。
規(guī)定脈沖沖擊：峰值加速度500m／s z，持續(xù)時間(11±I)ms
高溫：+70一"C；
低溫： 50L：；
高真空：1．3~10-J。pa。
3結(jié)語
實踐證明以無接觸旋變作為位置反饋的超聲波電機組件體積小變))、性能高，控制性能優(yōu)越，環(huán)境適應(yīng)性強、可靠性好。
波形為半正弦(≤①70×47(mm)(含旋變）性能好。本文所提出的一體化設(shè)計方法可行，與工程實際基本吻合，可推廣應(yīng)片j于超聲波電機組件的工程化生產(chǎn)當中。
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