行波型超聲波電動機(jī)的樣機(jī)制造技術(shù)
石 斌 胡敏強(qiáng) 錢俞壽（東南大學(xué)南京210096）
1 引 言
超聲波電動機(jī)(簡稱USM)是一種應(yīng)用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，通過摩擦驅(qū)動，把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能輸出的新型直接驅(qū)動電機(jī)。它完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，有磁極和繞組，無需通過電磁相互作用傳遞能量。USM具有功率密度大、無電磁干擾、低速大轉(zhuǎn)矩、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)行無噪聲等****的特性，在非連續(xù)運(yùn)動領(lǐng)域及精密控制領(lǐng)域，USM要比普通的電磁電機(jī)的性能優(yōu)越得多。USM在工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車專用電器、超高精度測量儀器、辦公自動化設(shè)備、智能機(jī)器人等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，倍受科技界和工業(yè)界的重視，為當(dāng)前電氣工程領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
我國于90年代初開始步入U(xiǎn)SM的研究行列，眾多高校及研究所在國家、省自然科學(xué)基金、教委博士點(diǎn)基金的資助下，開展USM的理論及實(shí)驗(yàn)研究及開發(fā)，已取得了一些可喜的成果。但目前在USM樣機(jī)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)方面，還缺乏深入細(xì)致的研究，這在一定程度上妨礙了我國USM產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。本文在綜合大量資料文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究小組在USM設(shè)計(jì)制造方面的工作，闡述了USM的設(shè)計(jì)理論及方法，給出了USM樣機(jī)制造過程中的一些技術(shù)要求及關(guān)鍵技術(shù)。
2 USM的基本原理
USM與傳統(tǒng)的電機(jī)不同，無繞組和磁極，無需通過電磁作用產(chǎn)生運(yùn)動力。它一般由振動體（相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的定子，由壓電陶瓷和金屬彈性材料制成）和移動體（相當(dāng)于傳統(tǒng)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子，由摩擦材料及塑料等制成）組成。在振動體的壓電陶瓷振子上加高頻交流電壓時(shí)，利用逆壓電效應(yīng)或電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生幾十千赫的超聲波振動，將這種振動通過振動體與移動體間的摩擦耦合，變換成旋轉(zhuǎn)或直線型運(yùn)動。圖1為環(huán)狀行波型USM的基本原理圖，定轉(zhuǎn)子由軸向力壓在一起，定子壓電陶瓷元件的排布如圖2所示，其中B區(qū)振子在空間上與A區(qū)振子間隔1/4波長(A/4)。當(dāng)A區(qū)振子加正弦激勵(lì)信號B區(qū)振子時(shí)，在空間上可產(chǎn)生行波，使定子表面上的點(diǎn)作與波傳送方向相反的橢圓運(yùn)動，如圖1所示[1]。
如果將一移動體（轉(zhuǎn)子）壓在振動體（定子）上，則兩者僅在波峰點(diǎn)接觸，受摩擦力的作用，移動體向行進(jìn)波的反方向移動。依靠行波驅(qū)動方式可連續(xù)地對移動體施加驅(qū)動力，改變波的方向，即可改變移動體移動（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)）方向。
3 USM的設(shè)計(jì)方法
USM雖然經(jīng)歷了十幾年的研究和發(fā)展，但仍有許多有關(guān)其性能的理論問題尚未解決。不像電磁電機(jī)，USM的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)非常有限，還未建立起系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法。
實(shí)際上，為推動USM的實(shí)際應(yīng)用，完全有必要確立一套USM的設(shè)計(jì)方法，以便預(yù)估USM的負(fù)載特性，同時(shí)對USM的運(yùn)行特性進(jìn)行必要的分析。在討論設(shè)計(jì)之前，要從理論上和實(shí)驗(yàn)上研究電機(jī)的基本性能。由于USM定轉(zhuǎn)子間相互作用的復(fù)雜性和其本身固有的非線性，很難對其進(jìn)行精確的數(shù)學(xué)分析。目前的設(shè)計(jì)多是基于USM的等效電路及簡化模型的分析基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的試驗(yàn)研究進(jìn)行的。
首先需要構(gòu)造USM振子的機(jī)電轉(zhuǎn)化等效電路，建立USM定轉(zhuǎn)子接觸的簡化模型，然后通過對等效電路和簡化模型的分祈，求取各量之間的關(guān)系，利用實(shí)驗(yàn)確定等效電路中的參數(shù)。在獲得了等效電路參數(shù)后，就可以利用等效電路解釋USM的輸入輸出特性，分析和預(yù)估電機(jī)的性能，直接為USM的設(shè)計(jì)服務(wù)（因?yàn)閁SM的設(shè)計(jì)也是基于同一等效電路和簡化模型的基礎(chǔ)上的）。
對于環(huán)形行波型USM，設(shè)計(jì)時(shí)需明確電機(jī)所要達(dá)到的特性及尺寸要求，如空載轉(zhuǎn)速、****轉(zhuǎn)矩、振子驅(qū)動半徑等，通過設(shè)計(jì)得到振予尺寸及加在轉(zhuǎn)子上的靜態(tài)力（預(yù)壓力）。設(shè)計(jì)中，定子齒槽的深度、定子彈性體厚度和預(yù)壓力作為設(shè)計(jì)變量，以振子的機(jī)電轉(zhuǎn)化效率為目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計(jì)步驟為[3]：
(1)給出設(shè)計(jì)要求：USM的空載轉(zhuǎn)速，****輸出轉(zhuǎn)矩，振子驅(qū)動半徑。
(2)選擇定轉(zhuǎn)子材料，給出相關(guān)參數(shù)。
(3)由空載轉(zhuǎn)速確定振子表面質(zhì)點(diǎn)的****切向振動速度。
(4)由****輸出轉(zhuǎn)矩及定轉(zhuǎn)子間摩擦系數(shù)確定USM軸向預(yù)壓力。
(5)通過等效電路模型，優(yōu)化轉(zhuǎn)子機(jī)電轉(zhuǎn)化效率，選擇定子彈性體厚度。
(6)由定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡確定振動體中性層位置。
(7)基于二層復(fù)合梁理論，確定定子齒槽深度。
4 USM樣機(jī)制造技術(shù)
根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，制造了一個(gè)環(huán)形行波型USM樣機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。這里就其各組成部分的材料及加工制造技術(shù)作相皮闡述。
4.1 USM各組成部分的材料及要求
如圖3所示，USM主要由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成。
4.1.1 USM定子
USM定子由彈性環(huán)、壓電陶瓷環(huán)和粘結(jié)二者的粘結(jié)劑組成，其材料的選擇對電機(jī)性能影響顯著。
·彈性環(huán)：彈性環(huán)可由不銹鋼、硬鋁或銅等金屬制成，根據(jù)加工條件、性能要求或成本等因素進(jìn)行選擇。日本新生工業(yè)公司的T. Sashida曾考慮到磷銅特別耐磨，且楊氏模量對溫度變化不敏感，而選擇了磷銅作為彈性環(huán)材料。在USM的樣機(jī)試制過程中，選用了不銹鋼作為定子彈性體材料。
·壓電陶瓷環(huán)：USM上的壓電陶瓷元件采用的是施加交變電壓后能產(chǎn)生機(jī)械諧振位移的“硬性”壓電陶瓷材料，其質(zhì)量的好壞直接影響電機(jī)性能，所以對壓電陶瓷材料的要求為：
(l)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率高。
(2)大振幅工作時(shí)，各項(xiàng)特性穩(wěn)定可靠。
(3)內(nèi)部損耗低（特別要求）。
(4)高的耐機(jī)械應(yīng)力性。
USM所采用的壓電陶瓷應(yīng)具有高的機(jī)電耦合系數(shù)K，盡可能大的機(jī)械品質(zhì)因數(shù)Qm和較小的介質(zhì)損耗角正切值tgα因?yàn)椋琄p高，標(biāo)志著壓電陶瓷機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率高。Qm大，反映壓電振子振動時(shí)因內(nèi)阻尼消耗的能量小，tgα愈小，介質(zhì)損耗也愈小。國外基本上都采用大功率壓電陶瓷材料，如PZT-4、PZT-8、PCM-5、PCM-80、PCM-88等。我國的PMS三無系壓電陶瓷材料具有良好的壓電性能，也非常適合于制作USM。
·粘結(jié)劑：粘結(jié)劑必須滿足要求：
(1)實(shí)現(xiàn)牢固的金屬一金屬和金屬一陶瓷粘結(jié)。
(2)高的粘結(jié)和撕裂強(qiáng)度。
(3)由化學(xué)或熱凝結(jié)的方法凝結(jié)固化。
(4)合適的固化（凝結(jié)）時(shí)間。
(5)高的熱耐久性。
USM多采用高溫固化的環(huán)氧樹脂膠。
4·1.2 USM轉(zhuǎn)子
USM轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)動環(huán)和摩擦材料構(gòu)成。
·轉(zhuǎn)動環(huán)：轉(zhuǎn)動環(huán)可由不銹鋼、硬鋁或塑料等制成。在USM樣機(jī)制造過程中，使用了硬質(zhì)鋁合金材料。
·摩擦材料：摩擦材料必須牢固地粘結(jié)在轉(zhuǎn)子和定子的接觸表面，從而增加定轉(zhuǎn)子間的摩擦系數(shù)，減少滑動能量損失，同時(shí)亦可起到降低磨損和延長電機(jī)壽命的作用。摩擦材料必須滿足要求：
(l)使加在定子接觸面的壓力均勻分布。
(2)有彈性，使波峰的接觸區(qū)域長度能伸長1/8～1/4波長。
(3)高摩擦系數(shù)。
(4)高品質(zhì)因數(shù)Q。
(5)耐磨性好，易于精密加工，不產(chǎn)生摩擦噪聲。
摩擦材料一般為高聚物，多采用聚酰胺或某些樹脂通過膠合芳香族聚酰胺纖維制成的片狀合成塑料板作為USM的摩擦材料。
4·2 USM工藝過程
壓電陶瓷環(huán)：壓電材料取材一切去內(nèi)外圓周成環(huán)形一電極分割一極化處理。
彈性體：彈性金屬材料馭材一切削加工一熱處理一粘結(jié)面研磨一時(shí)效處理。
壓電陶瓷環(huán)十彈性體=粘結(jié)一傳動面研磨一引線一定子。
轉(zhuǎn)子：轉(zhuǎn)子材料取材一切削加工一粘結(jié)摩擦材料一研磨一轉(zhuǎn)子。
定子十轉(zhuǎn)子十軸承十彈簧十軸十墊圈十外殼一完成USM組裝。
4.3 USM加工工藝要求
4.3.1壓電陶瓷環(huán)的加工
壓電極板兩邊敷有銀電極(厚度約0. 01mm)。將壓電陶瓷極板切去內(nèi)外圓周，得到壓電陶瓷環(huán)，由研磨切割盤（輪）將銀電極敷層磨去，分割電極。極化裝置與壓電環(huán)浸入絕緣油中(80～100℃)，施以高壓(約4～5kV/mm)，整個(gè)過程需10～15min。
4.3.2壓電環(huán)與彈性體環(huán)的粘結(jié)
一般使用環(huán)氧樹脂膠來粘結(jié)壓電陶瓷與彈性振動金屬體。粘結(jié)層對于USM定子換能器非常重要。從電氣角度看，它給壓電陶瓷串入一個(gè)電容。由于壓電陶瓷的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于粘結(jié)層的介電常數(shù)。因而膠層厚度的少許增加將導(dǎo)致加在壓電陶瓷上電場的大幅度減小。另外，從機(jī)械角度看，膠層的強(qiáng)度與機(jī)械損耗會極大地影響換能器的性能。在粘結(jié)過程中，金屬體與壓電陶瓷體要緊壓在一起，并加熱到某一溫度，以獲得薄而結(jié)實(shí)的膠層。加熱壓電陶瓷時(shí)，必須注意居里溫度，在居里溫度以上，材料的壓電性消失，并由于熱電效應(yīng)而感生出高壓。
粘結(jié)表面由No. 400-4000金剛砂粉拋光到幾個(gè)弘m的粗糙度，良好的表面光潔度可以保證陶瓷與金屬塊間的良好的機(jī)電耦合，甚至于陶瓷上無需任何金屬敷層（粘結(jié)層應(yīng)盡可能薄）。
4.3.3定轉(zhuǎn)子接觸表面的要求
定轉(zhuǎn)子接觸面的表面粗糙度及平整度的高精度要求是必不可少的。從日本有關(guān)科研機(jī)構(gòu)的研究顯示，需要3～5N環(huán)的平整度及研磨表面粗糙度不大于0.4mm。
4.4影響USM屯機(jī)性能的關(guān)鍵技術(shù)所在
USM的性能在很大程度上取決于壓電材料和摩擦材料。壓電材料性能的好壞將直接影響定子彈性體表面所激發(fā)的行波的振幅及USM的穩(wěn)定性，而摩擦材料的好壞將影響USM的輸出特性（力矩、效率、噪聲）和電機(jī)的使用壽命。另外，必須注意USM中幾個(gè)耦合交界面的加工精度及組裝工藝，即彈性體與壓電陶瓷的機(jī)電耦合、定轉(zhuǎn)子接觸面的摩擦耦合的質(zhì)量要得到保證。
4.5 USM樣機(jī)的參數(shù)及性能
所進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造的樣機(jī)參數(shù)見表1，其性能參數(shù)見圖4。由于在摩擦材料的選擇圖4 USM樣機(jī)的負(fù)載特性方面有所欠缺，因而所制造的USM樣機(jī)的性能與設(shè)計(jì)值有差距，壽命較短，主要是電機(jī)摩擦材料的磨損所致。
5結(jié)語
USM的設(shè)計(jì)是建立在等效電路和簡化模型的分析和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上的。本文介紹設(shè)計(jì)制造的一個(gè)環(huán)形行波型USM，并結(jié)合樣機(jī)的制造過程，給出了一些技術(shù)要求及關(guān)鍵技術(shù)所在。有關(guān)USM樣機(jī)性能的提高，包括在理論研究和技術(shù)工藝方面，還有很多工作要做。目前本研究小組正在USM的設(shè)計(jì)理論與USM樣機(jī)制造、性能提高方面開展工作，以期盡早實(shí)現(xiàn)USM的產(chǎn)業(yè)化。
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