新型碗状超声波电动机的研究

王晋军，任一峰，刘倩倩,杨建旭

(中北大学，太原 030051)



新型碗状超声波电动机的研究

王晋军，任一峰，刘倩倩,杨建旭

(中北大学，太原 030051)

针对一类定子结构不确定的超声波电动机，基于压电陶瓷片的逆压电效应，构造出一种碗状型的新型超声波电动机。通过对压电换能器尺寸的设计与调整，从而使电机的部分性能得到优化。利用ANSYS有限元分析的方法对超声波电动机压电换能器进行模态分析和谐响应分析。建立以谐振频率和预压力为超声波电动机基本性能测评标准，并通过实验来验证设计的准确性。

超声波电动机；压电陶瓷片；压电换能器；ANSYS有限元分析

0 引 言

为了克服传统电机功率密度低、起动停止控制性能差、定位精度比较低、噪声大等缺点，人们研发出一种具有速度快、输出力矩大的小型超声波电动机[1-2]。超声波电动机是利用压电陶瓷的逆压电效应在定子的某个频率段产生微观振动，从而利用定子与转子之间的摩擦来驱动转子旋转或做直线运动[3-4]。旋转型超声波电动机与直线型超声波电动机逐渐取代了大型传统电机，成为社会发展的趋势。在照相机、摄像机、汽车门窗、精密驱动平台中都需要小型超声波电动机作为驱动电源。本文研究一种碗状型超声波电动机，它是基于棒板复合型超声波电动机的基础上改造出半径越小、厚度就越低的一种压电陶瓷片。与棒板复合型超声波电动机比较，这种碗装型超声波电动机在交流信号的作用下，有效地增加了压电陶瓷片定子的接触面积，使其共振效果达到最佳状态。本文研究碗状型超声波电动机，它具有结构简单、成本低等优点，易实现超声波电动机的产业化[5]。本文采用了有限元仿真软件对直径为2 mm的行波型微特电机进行模态分析、谐响应分析，并得出了振动的固有频率。

1 碗状型超声波电动机结构模型与压电陶瓷片结构设计思想

碗装型超声波电动机主要元器件有转子、定子、压电陶瓷片、轴、垫片。利用压电陶瓷片的逆压电效应，设计出半径越小厚度略低，并且施加两相相位差90°的交流信号，从而使压电换能器定子的运动轨迹为椭圆运动。这个碗状型超声波电动机的压电陶瓷片是在棒板复合型压电陶瓷片的基础上改装而成的，上表面略向下倾斜有利于在共振频率作用时取得较大的振动幅度，从而产生较大的摩擦力。最终达到最大的驱动速度[6-7]。图1为压电陶瓷片设计结构，图2为超声波电动机的整体组装图和压电陶瓷的极化激励方式。

图1 压电陶瓷片设计

图2 超声波电动机结构模型与压电陶瓷片极化方式

2 有限元仿真

将压电换能器这个机械结构离散为由各种相互连接不同单元组成的模型，这一步称为压电换能器的单元网络划分。在有限元中分析压电换能器的机械结构已不是原有的实体模型，而是同样性质的材料由许多个体单元以一定方式组成离散物体。如果划分方式合理，且划分单元数量达到一定程度时，则仿真结果与实际情况符合。

将整个实体模型划分网格后，压电换能器通过一些离散的点连接起来，因此，作用在压电换能器上的力都可以等效到节点上。对划分后的网格单元施加边界条件，使其按照一定的规律组合起来，从而形成的整体有限元方程如下：

(1)

式中：C为压电陶瓷的刚度矩阵；ε为节点矩阵；e为压电矩阵。

定义材料的性能参数,如表1所示。

表1 定子电极片与压电陶瓷参数

设计压电陶瓷陶片外层厚度h1=1.25 mm，内层厚度h2=0.75 mm[8-9]。

压电陶瓷的刚度矩阵如下：

(2)

节点矩阵如下：

可得压电矩阵：

(4)

压电换能器设计结构和有限元映射网络划分结果如图3所示。

图3 压电换能器的结构设计与网络划分

模态分析是压电换能器在某个频率下的振动情况，从而初步确定压电陶瓷片最佳振动频率(不会导致压电陶瓷片发生畸变)。通过对压电换能器进行模态分析，可以在结构上减小共振的情况下，使它的输出效果达到最优，有利于在谐响应分析和瞬态分析中优化参数，缩短计算时间。采用分块Block Lanczos 法提取模态特别有效。在压电换能器的模态分析中对压电陶瓷片的四个区域面上所有的节点施加电压为0的位移约束，而那些非零载荷的自由度约束，在求解的时候被软件自动忽略掉，这就是我们施加力，压力，温度，即加速度但在模态提取中，经常反映不出来的原因。模态分析短路状态下程序：

/SOLU

ANTYP ,MODAL

MODOPT,LANB,15,0,100000 定义分块LANCZOS法

MXPAND,15 扩展模态数为15

ASEL，S，，，5 压电陶瓷片面5短路

NSLA，S,1 选取面5上所有的节点

D，ALL，VOLT，0 施加电压自由度为0

ASEL，S，，，20 压电陶瓷片面20短路

NSLA，S,1

D，ALL，VOLT，0

ASEL，S，，，10 压电陶瓷片面10接地

NSLA，S,1

D，ALL，VOLT，0

ASEL，S，，，15 压电陶瓷片面15接地

NSLA，S,1

D，ALL，VOLT，0

NSEL，ALL 选取所有的节点

SOLVE 求解

对压电换能器进行模态分析，得到最佳频率下的模态位移矢量图，如图4所示。

图4 模态分析矢量图

在模态分析中得到定子的低阶振动模态，与机械学计算出来的结果基本相吻合。压电陶瓷片通过纵向振动来带动转子做椭圆运动，找到共振频率为23 442 Hz。

谐响应分析是在外加连续的的交流信号作用下产生连续的周期响应，来确定压电陶瓷片水平方向上的振动位移与频率之间关系的一种新技术[10]。本文通过给两相压电陶瓷分别施加正弦与余弦两相交变电压时，分别激发出前后的一阶弯曲振动和左右方向的一阶弯曲振动，由于在相位上相差90°，所以定子可以合成绕轴线运动的椭圆轨迹，从而通过定、动子之间摩擦驱动动子做旋转运动[11]。在谐响应分析中取阻尼系数大小是0.003，电压信号的幅值是100 V。谐响应分析的程序如下：

/SOLU

ANTYPE,HARM 定义分析类型谐响应分析

DMPRAT,0.003 定义阻尼比

HARFRQ，，50000 定义频率范围

OUTRES,NSOL,1

ASEL，S，，，5 选取面5的所有节点

NSLA，S,1

D,ALL,VOLT,100 给面5施加100V的电压

ASEL，S，，，20 选取面 20的所有节点

NSLA，S,1

D,ALL,VOLT,100 给面20施加100V的电压

SOLVE 求解

/POST26 进入时间后处理器

NSOL,2,NDISP，u，y 定义变量2

/AXLAB,X,Frequency/Hz

/YXLAB,Y,Displacement/m

Prvar，2

用ANSYS有限元软件对压电换能器做谐响应分析，得到压电陶瓷片的谐响应频率-位移曲线，如图5所示。

图5 y方向谐响应分析图

在共振频率为20 000 Hz的情况下，定子水平位移达到了最大值，为16 μm。所以本文设计的压电微电机定子共振频率是20 000 Hz,在这个频率下，压电换能器的工作效果达到最佳状态。但是，在实际使用过程中定子与压电陶瓷片的粘结情况会影响超声波电动机的传输效率。为了使电机更好的工作，我们必须对不同的粘结材料进行比较，并选取比较适合的黏贴剂。

3 实验结果及分析

通过螺钉和转轴上的弹簧给超声波电动机的定子施加预压力，利用波形发生器产生一个正弦波信号，用功率放大器对信号进行放大。利用PSV-300F-B激光扫描测振仪对电压激励下压电换能器定子表面谐响应谱进行扫描，在可移动平台上测试电机的扭矩和速度。得到的压电换能器的扫描图如图6所示。

图6 压电换能器的扫描图

从定子纵向位移谐响应谱分析结果得出：在频率为25 000 Hz时，定子振幅达到最大。即这种碗状型超声波电动机的最佳工作频率为25 000 Hz。而在有限元分析结果中，理论的工作频率为23 442 Hz,所以测振仪得出的结果与有限元分析的结果相差1.7 kHz。这些值可以验证有限元仿真的精度，但是由于粘贴和加工工艺不同，导致了仿真结果与实际的共振频率有一定的差距。所以在共振频率达到25 000 Hz时，电机运转速度达到220 mm/s。

4 结 语

本文设计了一种碗状型超声波电动机，并且通过压电陶瓷片的改造，从而达到改善转换效率的目的。通过在压电陶瓷片的四个分区施加相位相差90°的正弦交流信号，使得定子在水平方向上的位移变化比较大，验证了碗状型超声波电动机的可行性。

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[8] 李小云,张小凤. 纵弯复合模式多自由度超声电机的研究[D].西安：陕西师范大学,2012.

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Research of a New Bowl Ultrasonic Motor

WANG Jin-jun，REN Yi-feng，LIU qian-qian，YANG Jian-xu

(North University of China，Taiyuan 030051,China)

For a class of piezoeletric micro special motors with uncertain stator structure,based on the converse piezoelectric effect of piezo ceramic plates,a new type of bar-plate composite ultrasonic motor was constructed.After the designing and adjusting of size in new PZT,the partial property of the electronic motor was optimized.ANSYS finite element analysis was used in the modes and resonance analysis. An evaluation system was built up composed of the resonance frequency and preloading to verify the exactness of the design through the experiment.

ultrasonic motor; piezo ceramic plates; PZT; ANSYS finite element analysis

2015-05-19

山西省高校创新项目(2012307)

TM359.9

A

1004-7018(2016)03-0011-03