柱面行波超聲電機(jī)機(jī)構(gòu)及理論研究

論文導(dǎo)讀：柱面驅(qū)動(dòng)行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了它要在徑向施加定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)緊力，才能充分使電機(jī)定轉(zhuǎn)子間接觸面積大，且沿軸向接觸應(yīng)力均勻一致的優(yōu)點(diǎn)，以改善接觸區(qū)應(yīng)力分布不均現(xiàn)象。在有限元分析中視激勵(lì)電場(chǎng)為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)，處理時(shí)忽略了電位移的變化對(duì)定子剛度的影響，不考慮膠層的影響。關(guān)鍵詞：超聲電機(jī)，柱面行波，壓電驅(qū)動(dòng)，有限元分析1引言超聲波電機(jī)是近三十年發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)，將材料的微觀變形通過(guò)共振放大和摩擦運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)，它突破了電磁電機(jī)的基本理論，沒(méi)有電樞繞組和磁路，不依靠電磁相互作用轉(zhuǎn)換能量，應(yīng)用了物理、機(jī)械振動(dòng)、電子、材料等學(xué)科為基礎(chǔ)的功率超聲技術(shù)[1,2]。超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活、運(yùn)動(dòng)形式多樣，具有體積小、重量輕、慣性小、控制精度高、響應(yīng)速度快、無(wú)源自鎖、無(wú)電磁干擾、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)[3]，取得的成果已廣泛應(yīng)用在光電子、航空航天、生物及遺傳工程、機(jī)器人和家用電器等諸多技術(shù)領(lǐng)域。論文大全。目前大多行波超聲電機(jī)通常利用園板或者圓環(huán)的面外彎曲共振模態(tài)[4]，這種振動(dòng)模態(tài)使得定子振動(dòng)時(shí)在不同半徑處的質(zhì)點(diǎn)軸向振幅不同，當(dāng)轉(zhuǎn)子為剛性時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子之間還是以點(diǎn)接觸為主，所以不可避免的出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡、磨損大以及驅(qū)動(dòng)力矩小等諸多問(wèn)題[5]，特別是在摩擦過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致電機(jī)溫升快，壓電陶瓷會(huì)出現(xiàn)熱退極化，壓電性能逐漸變壞，當(dāng)達(dá)到居里溫度時(shí)，壓電性完全消失，致使電機(jī)遭到永久性破壞，所以過(guò)快的溫升同時(shí)降低了電機(jī)的機(jī)械性能和使用壽命[6]。對(duì)此本文提出一種新型行波柱面驅(qū)動(dòng)壓電超聲電機(jī)，利用殼體沿軸向振動(dòng)一致的那一類非軸對(duì)稱振動(dòng)模式，所以定子上的質(zhì)點(diǎn)沿軸向振幅相同，定子與轉(zhuǎn)子在動(dòng)態(tài)接觸過(guò)程中為線接觸，電機(jī)結(jié)構(gòu)和激勵(lì)方式更加簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)力矩大，可控性好。2電機(jī)的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1電機(jī)結(jié)構(gòu)電機(jī)設(shè)計(jì)主要考慮定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，定轉(zhuǎn)子間的預(yù)緊機(jī)構(gòu)及定轉(zhuǎn)子間定位方式等方面。柱面驅(qū)動(dòng)行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)決定了它要在徑向施加定轉(zhuǎn)子之間的預(yù)緊力，才能充分使電機(jī)定轉(zhuǎn)子間接觸面積大，且沿軸向接觸應(yīng)力均勻一致的優(yōu)點(diǎn)，以改善接觸區(qū)應(yīng)力分布不均現(xiàn)象。設(shè)計(jì)了電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。定子材料為45#鋼，圓周外表面由28個(gè)矩形平面擬合組成，平面粘有壓電陶瓷，定子內(nèi)表面為柱面，柱面均勻分布72個(gè)起放大作用的定子尺?；w厚度2.5mm，內(nèi)徑81mm，陶瓷長(zhǎng)寬厚分別為20mm、8mm和1.2mm。圖1電機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.2柱面行波驅(qū)動(dòng)機(jī)理由波動(dòng)理論司知兩個(gè)幅值相等，時(shí)間和空間上相差90。的駐波可以合成行波。于是將壓電陶瓷片粘貼在彈性棱柱體外表面，當(dāng)在壓電陶瓷上施加交變電壓時(shí)，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生交替伸縮變形，在一定的頻率和電壓下彈性棱柱體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生駐波。論文大全。如圖2所示。對(duì)于周向封閉的圓柱薄殼沿徑向的非軸對(duì)稱振動(dòng)駐波方程可表示為（1）式中：A——振子振幅；n——沿周向的波數(shù)；ω——振動(dòng)的角頻率。另一組壓電陶瓷激勵(lì)另一個(gè)駐波方程，與方程（1）只是在時(shí)間及空間上相位分別相差，，其駐波方程為（2）兩列駐波w1和w2疊加后的為一行波方程（3）其中“”代表行波的運(yùn)動(dòng)方向。當(dāng)，時(shí)，（4）當(dāng)，時(shí)，（5）可見(jiàn)，在壓電陶瓷位置固定的情況下，可以通過(guò)改變兩路激勵(lì)信號(hào)的相位差來(lái)改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。圖2行波驅(qū)動(dòng)原理圖2.3柱面行波驅(qū)動(dòng)機(jī)理定子的振型選擇為沿圓柱殼體周向具有7個(gè)波峰，沿軸向無(wú)波節(jié)的振動(dòng)模態(tài)（7，0）。為了能產(chǎn)生空間上的相位差(1/4波長(zhǎng))和時(shí)間上的相位差(1/4周期)這兩列駐波，壓電陶瓷片的空間位置分布關(guān)系為：沿圓周方向均布有28片壓電陶瓷，每片壓電陶瓷的標(biāo)號(hào)從1到28沿逆時(shí)針?lè)较蛞来芜f增，圖中只標(biāo)出有代表性的前4片。圖中“+”，“-”號(hào)代表壓電陶瓷的極化方向，陶瓷片極化方向的確定按圖3所示“+”，“+”，“-”，“-”依次循環(huán)來(lái)確定。設(shè)一路電壓信號(hào)為：uA=Usin(ωt)，另一路信號(hào)為：uB=Ucos(ωt)。壓電陶瓷片的驅(qū)動(dòng)關(guān)系為：奇數(shù)片壓電陶瓷施加uA，偶數(shù)片施加uB。當(dāng)uA=Usin(ωt)不變，而uB=-Ucos(ωt)時(shí)，由式（4）（5）可知，行波反向傳播，電機(jī)反轉(zhuǎn)。圖3壓電陶瓷的分布及驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)圖3有限元分析及試驗(yàn)驗(yàn)證3.1有限元分析采用有限元法能夠?qū)⒍ㄗ影凑諏?shí)際的力學(xué)效果進(jìn)行考慮，建模精度高。故借助于有限元軟件ANSYS9.0對(duì)定子進(jìn)行了振動(dòng)分析。在有限元分析中視激勵(lì)電場(chǎng)為準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)，處理時(shí)忽略了電位移的變化對(duì)定子剛度的影響，不考慮膠層的影響。在對(duì)定子進(jìn)行振動(dòng)分析時(shí)，采用了軟件提供的三維十節(jié)點(diǎn)單元SOLIDl87對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)定子結(jié)構(gòu)中某一參數(shù)進(jìn)行有限元建模計(jì)算時(shí)，都是基于其余結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的條件下進(jìn)行的，以此來(lái)獲取特征頻率及其相應(yīng)的主振型。在選擇定子振動(dòng)模式時(shí)，同一時(shí)刻參與驅(qū)動(dòng)的點(diǎn)不應(yīng)少于3個(gè)，保證不發(fā)生側(cè)擺。為避免分析過(guò)程中壓電陶瓷片壓電效應(yīng)的影響，把每片壓電陶瓷的兩電極間短路處理得到電機(jī)(7,0)模態(tài)的固有頻率為f=17.259kHz，振型如圖4所示。圖4(7,0)階模態(tài)振型圖用諧響應(yīng)分析來(lái)驗(yàn)證行波的形成及定子齒的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)兩列壓電陶瓷片施加頻率值為17.3kHz，電壓有效值為100v，且兩列相位差為90º的正弦驅(qū)動(dòng)電壓，在得到的計(jì)算結(jié)果中提取一個(gè)振動(dòng)周期(1.5970ms-1.6549ms)齒頂中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如5所示，其中x軸代表選定的齒上任意質(zhì)點(diǎn)的切向位移，y軸代表徑向位移，為橢圓軌跡。齒頂曲面上的點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡變化情況，距齒中心線距離越遠(yuǎn)，橢圓傾斜角度越大，同時(shí)長(zhǎng)軸變得越長(zhǎng)，短軸變得越短，a為驅(qū)動(dòng)齒上任意質(zhì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)齒中心線距離。圖5齒面各點(diǎn)振動(dòng)軌跡3.2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證電機(jī)的驅(qū)動(dòng)頻率與特性測(cè)試曲線如圖6所示。驅(qū)動(dòng)頻率工作帶寬為15.5kHz-17kHz，驅(qū)動(dòng)電壓有效值為150v，兩相驅(qū)動(dòng)電壓的相位差為90°轉(zhuǎn)速對(duì)頻率的變化非常敏感，轉(zhuǎn)速與頻率特性曲線并不具有對(duì)稱性，在轉(zhuǎn)速峰值點(diǎn)左側(cè)轉(zhuǎn)速隨頻率的變化率較大，在轉(zhuǎn)速峰值點(diǎn)右側(cè)轉(zhuǎn)速隨頻率的變化率比左側(cè)小。論文大全。電機(jī)空載最大轉(zhuǎn)速為64/min，堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為1.8N×m。圖6驅(qū)動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線4結(jié)論(1)本文采用新型驅(qū)動(dòng)機(jī)理，設(shè)計(jì)了行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)及壓電陶瓷的分布和驅(qū)動(dòng)方式，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析了齒的橢圓軌跡的形成機(jī)理，證明此種電動(dòng)機(jī)工作原理滿足一般壓電電動(dòng)機(jī)形成驅(qū)動(dòng)及正常工作的基本條件。(2)采用有限元軟件ANSYS9．0對(duì)定子進(jìn)行了模態(tài)及瞬態(tài)分析，得到了齒頂?shù)臋E圓運(yùn)動(dòng)軌跡。(3)此種電機(jī)不同于圓盤(pán)型等結(jié)構(gòu)形式的壓電電動(dòng)機(jī)，采用了定轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)線接觸方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行平穩(wěn)，驅(qū)動(dòng)力矩大，激勵(lì)方式簡(jiǎn)單。最佳工作頻率16.108kHz，驅(qū)動(dòng)電壓有效值150v，兩相驅(qū)動(dòng)電壓的相位差為90°時(shí)，電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩為1.8N×m，空載最大轉(zhuǎn)速為64/min。參考文獻(xiàn)(References)[1].趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用.科學(xué)出版社.2007.[2].MasahikoTominaga,RyutaKaminaga,JamesR.Friend,KentaroNakamura,SadayukiUeha.Anultrasoniclinearmotorusingridgemodetravelingwaves,Montreal,Que.,Canada,2004,2:1165-1168[3].蘇鶴玲,趙向東,趙淳生.單相驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)型駐波超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理.壓電與聲光.2001,23(04):306-312[4].陳維山．行波超聲波電動(dòng)機(jī)的理論及實(shí)驗(yàn)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，1996[5].曲建俊,周鐵英,姜開(kāi)利,袁