旋转型行波超声电机网络的性能测试和仿真

范培英，邱 洋

（1.上海建桥学院 信息化办公室，上海 201319 ；2.上海电子信息职业技术学院 计算机应用系，上海 201411）

0 引言

超声电机技术是综合了振动学、摩擦学、电力电子、自动控制和新材料等众多学科的新技术。超声电机由于其优越的性能，而受到广泛的关注。超声电机是将电能转换成机械能，利用压电陶瓷的逆压电效应获取运动和力矩，将材料通过机械共振和摩擦转换成转子的运动。 超声电机具有结构简单、噪声小、不受磁场干扰、效率高和控制性能好等特点，发展非常迅速，前景十分广阔,未来会用在医疗系统和安全系统甚至一些特殊领域。

行波超声电机由正交的两组驻波合成，其中定子质点做椭圆形的运动。超声电机可以分为直线型和旋转型超声电机。其结构式利用定子的行波波纹受到摩擦力而带动转子旋转，通过改变输入电压进而使行波的传播方向发生变化。定子的频率和定子转子的摩擦力会因为温度而有所变化，导致超声电机的许多性能也随之受到影响。本文通过温度的测试实验系统对超声电机共振频率、机械特性等随温度的反应的变化。

1 超声电机原理

超声电机也被称为超声波电机，可以分成直线型和旋转型电机。旋转型行波超声电机的结构如图1所示，其工作原理是在压电陶瓷上施加相同频率等幅、相位相差 90°的交变电压，通过逆压电效应定子激发出两相驻波，驻波叠加形成沿一定方向传播的行波。转子的转动由定子行波表面质点的切向速度决定，并且和行波的传播方向相反。

其实质是压电陶瓷的逆压电效应产生定子激振 ,在某频率处产生高频的微幅振动，再通过摩擦将定子的微幅振动转换成转子的回转。这里定子为一圆环形板，其顶端质点为三维的运动轨迹，沿着径向、周向和纵向位移分量分别表示：

图1 旋转型行波超声电动机结构简图

合成径向和周向的位移分量，得到一个和平面内径向垂直的的椭圆轨迹sE。sE可以认为是定子顶端质点在垂直于径向平面内轨迹的投影。 定子要想驱动转子投影运动是必须的，定子需要将振动能量转换成转子的旋转动能。椭圆运动会让转子悬浮，定子要用预压力将其紧压在弹性体上。另外质点还有运动分量Sr，它能有效控制定子和转子产生的径向滑动，减少能量的消耗，有利于定子和转子的动力传递。

2 温度对电机的影响

温度的变化严重影响着超声电机的力矩和转速等，以往研究温度对电机的作用都是在压电陶瓷方面。我们将电机的定子等效成压电复合梁模型，利用物理能量等效原则，计算出定子的等效密度、弹性模量等。考虑转动惯量等的影响下，共振频率计算公式：

再温度对定子的金属体和压电陶瓷片的影响也加进去，就得出温度对共振频率的影响模型。计算机的仿真结果可知，温度对两者都有影响，但总的共振频率随温度的升高而降低。本文的实验是TRUM-60行波超声电机进行温度测试，得到不同温度下电机的共振频率、机械特性等性能。

3 实验方法

超声电机关于温度的测试试验系统包括计算机、高低温湿热箱、磁滞测功机、特性分析仪和TRUM-60行波超声电机功率放大器等组成。当计算机调控下，高低温湿热箱的温度调控范围可以在-150℃到180℃。磁滞测功机负责测量和加载电机的转速。电机功率放大器测量各种温度下电机产生的共振频率。

实验选用对象为TRUM- 60型旋转型行波超声电机。定子用铜基材料，选择高分子聚合材料来做为转子的摩擦材料。假设1个标准大气压下，温度梯度为10℃，从50℃降至-50℃。每1个梯度到达标准后保持20分钟稳定才测试电机性能。测试内容主要有：

1）电机共振频率测试：动态特性分析仪提供出正弦激励信号，其频率在20～50 kHz之间，再通过功率放大器对其进行放大，并发送给压电陶瓷片，最终获得幅-频曲线，记录下各个共振点及反共振点相对的频率值。

2）电机最高转速测试：用电机驱动控制器驱动电机，气浮轴承输送转速信号给磁滞测功机。不断调节驱动器的输出频率直到它约等于反共振点频率，保持后观察电机此时的最大转速。

3）转速稳定性测试：选择性能较好的摩擦材料FM1 和FM2将它们和2台电机的转子固定。调节温度至电机保持稳定的最低工作状态，调节驱动频率，转矩外加0.1 N·m加大磨擦，保持温度2 h恒定，每隔10分钟记录电机转速变化1次。同理测试并且记录下另外1 台电机的数据。在光学显微镜下观察和比较两种材料摩擦界面的变化。

4 仿真实验

4.1 电机共振频率

如图2中的曲线fn为理想状态，随着温度的升高电机共振频率呈直线下降。但在试验中测得的频率变化分别是图2中的共振点fr和反振点fa曲线。同一温度时，fa总是高于fr。温度逐渐升高，fa几乎直线下降，相比较fr的变化平缓得多，当室温升至- 10℃开始，fr和fa的差值就开始基本不变。

试验结果表明，温度确实对电机共振频率有影响。虽然在仿真环境下得到的共振频率有所偏差，但总体共振频率是随温度的升高呈现下降趋势。考虑了定子的环形结构，就能更准确地预测温度对共振频率的影响，建立更可靠的电机理论模型。

图2 温度变化影响共振频率

4.2 机械特性

1）负载特性的影响：超声电机机械性能的测量结果如图3所示。随着温度的下降，电机的转速会加快，力矩会缩小。当温度较高时，超声电机的性能变化程度会略变小。当温度小于50℃，力矩的变化不大，超过50℃时，最大力矩上升明显，幅度也很大至最高值。

图3 不同温度下的机械特性

2）对转速的影响：温度的作用使共振频率发生变化，也会影响输出转速。如图4所示，通过变换频率获得电机稳定工作的最高转速。

图4 温度对最高转速的影响

可见，电机可以通过调频在一定温度范围内的输出特性得到最佳值，但是却不能保证转速性能的稳定。 温度不但影响电机的共振频率，还会影响转子、定子之间的摩擦界面和摩擦材料的力学参数的变化, 降低输出性能。

5 结论

1）温度对电机共振频率影响的数学模型和实验的结果存在一定的误差但比较吻合，超声电机的共振频率是随着温度升高而降低的。

2）温度升高时，旋转型行波超声电机的定子振幅变大，电机输出力矩也会增大；温度的升高超声电机的预压力逐渐变大。但是转子摩擦材料系数的下降能够损耗一部分的输出力矩。

3）调频可以使电机获得最佳输出性能，但不能抵消温度对转速的影响。

4）温度环境会影响定子和转子摩擦材料的磨损，低温时磨擦的痕迹比较微弱。

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