基于扭振斜向贴片式应力型纵扭复合超声电机

陈翔宇，朱星星，杨 淋

（南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室，江苏 南京210016）

0 引言

超声电机［1］（ultrasonic motors）是在20世纪80年代发展起来的一种微小型电机，它的原理是利用压电材料的逆压电效应的现象，将电能转换为弹性体的机械能，从而使定子产生高频振动，通过定／转子间高频率下的接触和摩擦转换为转子的直线运动或旋转运动［2－5］。与电磁电机相比，超声电机具有许多独特的优点，它具有结构紧凑、低速大转矩、断电自锁、无电磁干扰、位移分辨率高等优点。因此，超声电机有着广阔的应用前景。

纵扭复合型超声电机［6－8］LTUM（hybrid ultrasonic motors using longitudinal and torsional vibration modes）是超声电机中一种重要的类型。它主要利用纵、扭两种工作模态进行工作，目前，对于纵扭复合型超声电机可分为以下两类：应力型纵扭复合超声电机和位移型纵扭复合超声电机，应力型纵扭复合超声电机利用定／转子间最大应力作为接触应力，产生较大的摩擦力驱动转子，而定／转子间的位移振动幅值较小；位移型纵扭复合超声电机利用定子端面产生最大的振动位移（微米级），来压缩摩擦材料产生摩擦力驱动转子，而对于定子端面的应力值较低。1998年，Ueha［9］研制出一种双转子应力型纵扭复合超声电机，该电机采取沿周向极化的环形扭振压电陶瓷和沿厚度方向极化的环形纵振压电陶瓷，分别激励出定子的一阶扭转振动模态及定／转子整体的二阶纵振模态，但是该电机的纵振压电陶瓷布置在定转子接触的两个端面上。因此，需要加一个电刷结构对转子上纵振压电陶瓷进行供电，使得电机的加工工艺变得复杂，而且还相应的增加了电机的体积。2012年，南京航空航天大学精密驱动研究所在此基础上进行了合理的结构设计［10］，提出了将纵振压电陶瓷全部放置在定子基体的端面上，这样很好的避免了电刷结构的使用，使电机实现应用更近一步。但是，上述两种应力型纵扭复合超声电机均采用了造价昂贵、工艺复杂、成品率低的沿周向极化的环形扭振压电陶瓷，限制了电机在实际工程中应用。对此提出一种矩形压电陶瓷贴置在开有斜槽的圆形定子基体上的布局方案，避免使用沿周向极化的环形扭振压电陶瓷，分析了电机的工作机理，进行振动测试实验、选择其最佳的工作频率。

1 电机结构设计

设计的斜向贴片式应力型纵扭复合超声电机结构如图1所示，电机主要由定子组件和转子组件组成。定子组件由定子基体（1Cr18Ni9Ti）、摩擦片（45＃）、第1组环型纵振压电陶瓷（PZT-8H）、电极片（Qsn6.5）、矩形扭振压电陶瓷（PZT-8H）、第2组环型纵振压电陶瓷（PZT-8H）、2个深沟球轴承组成；所述转子组件由转轴（45＃）、锁紧螺母、压块（LY12）、硅橡胶、2个转子（Qsn6.5）组成。定子组件与转子组件由传动轴连接，两端放置有硅橡胶和压块，通过锁紧螺母锁紧以提供一定的预压力。该型电机所用材料的参数如表1所示。

图1 电机结构

表1 电机所用材料参数

2 工作原理

应力型纵扭复合超声电机与其他种类的超声电机工作机理不同，它使用定／转子整体的纵向振动和定子组件的扭转振动2种复合模态，具有很好的控制性。定子组件的扭转振动产生对转子的驱动力矩，定／转子整体的纵向振动在定子组件扭转振动同时发生的情况下能够改变定／转子接触面间的摩擦力。由于电机纵向振动可以改变定／转子接触面间的接触应力大小，通过定子组件的扭转振动有效的转换为对转子转动力矩，当纵向振动对定／转子接触面间的接触应力最大时，电机通过扭转振动的作用产生较大的输出力矩。所以对于应力型纵扭复合超声电机设计的关键就是通过定／转子整体的纵向振动实现定／转子接触面间具有很好的应力值控制。

电机工作模态如图2所示，当电机所需的一阶扭转振动模态和二阶纵向振动模态被同时激发时，一阶扭转振动只限制在定子组件里，定子组件由定子基体、摩擦片、第1组环型纵振压电陶瓷、电极片、矩形扭振压电陶瓷、第2组环型纵振压电陶瓷、2个深沟球轴承组成。二阶纵向振动分布在定子组件和2个转子里，在定／转子接触面间振动幅值接近于零。由二阶纵向振动振型在电机里分布可知，很容易知道二阶纵振应力振型分布，其在定／转子接触面间应力幅值最大，满足应力型纵扭复合超声电机在定／转子接触面间应力设计的关键。对于两者模态的共振频率一致性设计，可通过调整两端转子长度，使一阶扭振频率与二阶纵振频率趋于一致。当两者工作模态被相应压电单元以相位差90°的正弦电压同时独立激励，在振动半个周期内，当定子组件其中一端面扭转振动速度达到最大的同时，定转子接触面的应力变得最大，接触面间的摩擦力最大，此时对于定子组件另一端面扭转振动速度相反，而定转子接触面的应力最小，接触面间的摩擦力也最小，产生的制动力矩对电机正常转动影响较小；在下一个振动半个周期内，进行同样的运行机理，但转子转动方向保持不变。所以，通过纵向振动临时改变定转子接触面的应力大小，定子组件的扭转振动能够对连续转动的转子作出相应的调整。

图2 电机工作模态

图3 所示为压电陶瓷在定子上的极化布置方案，定子组件两端各粘贴有2片沿厚度方向极化的圆形压电陶瓷，每组压电陶瓷中相邻压电片极化布置相反，且左右两端两组压电陶瓷极化布置相反，用正弦交变电压E1施加到两组纵振压电陶瓷，纵振压电陶瓷产生相应的正弦应变，激发出定／转子整体的二阶纵振模态。正弦交变电压E1表示为：

图3 压电陶瓷片的极化布置方案

AE和fE分别表示为所加正交电压的幅值和激励频率，当fE等于定／转子整体的二阶纵向振动的固有频率，定／转子整体的二阶纵振模态就能被压电单元激发。用于激励定子组件一阶扭振模态的矩形压电陶瓷片粘贴在定子上与轴向成45°的斜槽里，共用4片沿厚度方向极化矩形压电陶瓷，在定子上极化布置均指向轴心或背离轴心方向，当正弦交变电压E2施加到矩形压电陶瓷，矩形压电陶瓷产生正弦应变，由于偏离定子组件轴心，产生一对相反的力矩，激发出定子组件一阶扭振模态。正弦交变电压E2表示为：

φ为E1和E2之间相位差，当相位差为90°时能很好满足电机驱动要求。

通过ANSYS Workbentch计算出电机纵扭模态如图4所示，其扭振模态模态频率和纵振模态频率分别为26.5kHz和26.7kHz，很好满足频率一致性的要求。图4a所示为定子组件一阶扭振模态振型图，两端面的速度相位相反；图4b为定／转子整体的二阶纵振模态振型图，可知两端定转子接触面间应力相位相差180°，与工作原理分析的结果保持一致。

图4 ANSYS Workbentch计算出的电机工作模态

3 实验

电机样机如图5所示，为设计的10mm贴片式双转子应力型纵扭复合超声电机的样机，采取4片矩形压电陶瓷贴置在开有斜槽的圆形定子基体上的布局方案，用于激励出定子基体产生一阶扭转振动模态，避免使用沿周向极化的环形扭振压电陶瓷。这种电机具有结构简单，不需过多复杂的装配工艺，易于实现的优点。

图5 电机样机

采用德国Polytec公司生产的PSV300F-B高频激光扫描测振仪对斜向贴片式应力型纵扭复合超声电机进行模态实验。图6a和图6b分别为定子组件的一阶扭振模态幅频曲线和模态振型，由一阶扭振模态幅频曲线得出定子一阶扭振共振频率为25.359kHz。图6c和图6d分别为电机的定转子整体的二阶纵振模态幅频曲线和模态振型，由定转子整体的二阶纵振模态幅频曲线可知：定转子的二阶纵振频率带宽为5kHz，起始频率和终止频率分别为25kHz和30kHz，这对于纵扭复合型超声电机工作频率一致性起到很好的调节作用。通过在高频激光扫描测振仪实测的实验数据和实验现象，进一步可以说明这种利用矩形压电陶瓷贴置在开有斜槽的圆形定子基体上的布局方案，能够激发出定子组件一阶扭转振动模态。用两相相位差为90°的正弦信号，经过2个功率放大器进行信号放大，分别用于激励相应的压电单元，通过信号发生器确定电机所用的最好工作频率大致为25.5kHz，电机能够平稳运行。

图6 激光多普勒测振仪实测的电机工作模态频率和振型

4 结束语

基于扭转振动斜向粘贴压电片的布局方案及激励模式的研究，设计了一种新型双转子应力型纵扭复合超声电机，主要讨论了电机整体的结构设计思路及相应材料的选择，电机所需工作模态的选择及相应电激励的方法，完成了电机整体样机的设计和电机工作模态的数值计算。针对该电机的运行原理和工作过程，确定了可靠实验方法，并对样机的工作性能做出深入分析。电机的实验结果表明，粘贴在开有斜槽的圆形定子基体上的矩形压电陶瓷，能够激发出定子组件一阶扭转振动模态，并且该电机所需两个工作模态的固有频率具有很好的一致性，电机能够平稳运行，避免了工艺复杂、成本高的环形扭振压电陶瓷的使用，实现了扭转振动激励模式的创新，从而对其它类似的应力型纵扭复合超声电机的扭振激励模式提供了一种新的思路。

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［2］ 周凤拯，金家楣，姚志远，等.轮式结构直线超声电机的设计［C］∥第十二届中国小电机技术研讨会.中国上海，2007.

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