王國焱，洪尚任，王國榮

（1.華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建 泉州 362021；2.武漢大學(xué)東湖分校工學(xué)院，湖北 武漢 430212）

雙彎曲行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)

王國焱1，洪尚任1，王國榮2

（1.華僑大學(xué)機(jī)電及自動化學(xué)院，福建 泉州 362021；2.武漢大學(xué)東湖分校工學(xué)院，湖北 武漢 430212）

根據(jù)超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)理論，研究圓柱定子雙彎曲行波型超聲波電機(jī)的驅(qū)動機(jī)理及設(shè)計(jì)方法.分別測試激勵(lì)頻率、驅(qū)動電壓和預(yù)壓力對超聲波電機(jī)樣機(jī)轉(zhuǎn)速特性的影響.結(jié)果表明，輸入信號頻率偏離諧振頻率越大，轉(zhuǎn)速下降越多，頻率可調(diào)范圍較小，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速對輸入信號頻率變化較為敏感；電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速隨驅(qū)動電壓變化趨勢有明顯的近似線性關(guān)系；預(yù)壓力對超聲波電機(jī)的輸出特性有較大的影響.

超聲波電機(jī)；圓柱定子；彎曲振動；轉(zhuǎn)速特性

1 樣機(jī)設(shè)計(jì)與制作

1.1 陶瓷片的極化及驅(qū)動機(jī)理

所設(shè)計(jì)的圓柱體彎曲振動超聲波電機(jī)采用4片彎曲振動陶瓷片，壓電陶瓷元件極化及排列方式如圖1所示［1］.壓電陶瓷環(huán)電極分割為兩部分，并且相互反相極化，壓電陶瓷環(huán)按極性相反兩兩疊合成兩組.兩組彎曲振動壓電陶瓷片的分割線相互錯(cuò)開90°疊放，以便激勵(lì)兩個(gè)正交的彎曲振動模態(tài).

圖1 壓電陶瓷極化圖Fig.1 Chart of piezoceramics polarization

當(dāng)兩相相位互差的正交信號同時(shí)激勵(lì)時(shí)，在電機(jī)定子表面形成雙彎曲行波.通過定子和轉(zhuǎn)子之間緊密接觸產(chǎn)生的摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子，并輸出力矩.若將輸入到兩相的信號換相，則可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子的反轉(zhuǎn)［2-4］.

1.2 定子尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算

定子采用夾心式換能器，結(jié)構(gòu)如圖2所示［5］.彎曲振動夾心式壓電換能器可以等效為兩端自由的彎曲振動均勻的細(xì)圓棒，其共振頻率計(jì)算式［5］為

圖2 夾心式換能器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of sandwich transducer

式（1）中：i為圓棒不同的彎曲振動模式；L為圓棒的長度；R為圓棒橫截面的回旋半徑；c為圓棒中縱振動的傳播速度，c=，E為彈性模量，ρ為材料密度.文中選擇圓棒材料為45#鋼，外半徑為10mm，i=1.若f=20kHz，則L≈72mm；若f=40kHz，則L≈52mm.

當(dāng)壓電陶瓷片引入圓棒中間位置時(shí)，必須對壓電陶瓷片的影響進(jìn)行圓棒長度修正.圓棒修正長度Lc應(yīng)該滿足對稱模式方程，即

由式（2）可求得Lc，則由Lt=L-2Lc+2L0可求得，對應(yīng)于設(shè)計(jì)頻率f為20，40kHz，計(jì)算修正后的換能器總長度Lt分別為65，46mm.

2 結(jié)果分析

所設(shè)計(jì)和制作的圓柱定子雙彎曲行波電機(jī)［6］，其頻率為40kHz.電機(jī)結(jié)構(gòu)圖和實(shí)物照片，分別如圖3，4所示.

圖3 圓柱定子雙彎曲行波電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structural picture of double-bended cylinder stator travelling motor

圖4 電機(jī)照片F(xiàn)ig.4 Photograph of the motor

2.1 激勵(lì)頻率-轉(zhuǎn)速特性

在電源輸入電壓10.5V，預(yù)壓力0.4N條件下，測試電機(jī)的激勵(lì)頻率-轉(zhuǎn)速特性，結(jié)果如圖5所示.轉(zhuǎn)速采用DM6236P型激光非接觸/接觸轉(zhuǎn)速表測試.

從圖5可以看出，電機(jī)的諧振頻率為41.75kHz時(shí)，轉(zhuǎn)速最大.輸入信號頻率偏離諧振頻率越大，轉(zhuǎn)速下降的越多，頻率可調(diào)范圍較小，同時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速對輸入信號頻率變化較為敏感.

2.2 驅(qū)動電壓-轉(zhuǎn)速特性

在頻率為41.50kHz，預(yù)壓力為0.5N的條件下，測試電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速隨輸入電壓的變化，結(jié)果如圖6所示.由圖6可見，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速隨驅(qū)動電壓變化趨勢有明顯的近似線性關(guān)系.即驅(qū)動電壓增大，輸出的轉(zhuǎn)速隨之增大.

根據(jù)壓電陶瓷材料的性質(zhì)，由壓電系數(shù)可知，當(dāng)加在它上面的電壓增大時(shí)，其變形也增大，使得整個(gè)超聲振動系統(tǒng)的振幅也隨之增大，引起彎曲撓度增大，從而輸出轉(zhuǎn)速也會增大.

圖5 電機(jī)的激勵(lì)頻率-轉(zhuǎn)速特性曲線圖Fig.5 Curve of excitation frequency versus rotating speed characteristics of the motor

圖6 電機(jī)的驅(qū)動電壓-轉(zhuǎn)速特性曲線圖Fig.6 Curve of driving voltage versus rotating speed characteristics of the motor

2.3 預(yù)壓力-轉(zhuǎn)速特性

在電源輸入電壓為11V，輸入信號頻率為41kHz條件下，測試電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速隨預(yù)壓力的變化曲線，如圖7所示.

圖7 電機(jī)的預(yù)壓力-轉(zhuǎn)速特性曲線圖Fig.7 Curve of precompression versus rotating speed characteristics of the motor

由圖7可知，當(dāng)預(yù)壓力較小時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子間接觸范圍較小，主要集中在定子波峰點(diǎn).此時(shí)加大預(yù)壓力，定子和轉(zhuǎn)子間接觸范圍開始增大，驅(qū)動區(qū)越來越大，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速逐漸提高.

當(dāng)預(yù)壓力大到一定程度時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子的接觸范圍已經(jīng)增大到超過了等速點(diǎn)，而定子在等速點(diǎn)以外的表面質(zhì)點(diǎn)的周向速度小于轉(zhuǎn)子.此時(shí)，接觸區(qū)域開始出現(xiàn)阻礙轉(zhuǎn)子運(yùn)動的阻止區(qū)，且定子和轉(zhuǎn)子的徑向滑動最劇烈的地方已經(jīng)處于接觸區(qū)域內(nèi).如果再增加預(yù)壓力，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速開始降低.

由此可見，預(yù)壓力對超聲波電機(jī)的輸出特性有較大的影響.即每一種超聲波電機(jī)的最高輸出轉(zhuǎn)速對應(yīng)不同的預(yù)壓力最佳值.

3 結(jié)束語

依據(jù)超聲換能器原理及設(shè)計(jì)理論，對其驅(qū)動機(jī)理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究.該類型電機(jī)除了具有一般超聲波電機(jī)的特點(diǎn)外，還具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊，設(shè)計(jì)計(jì)算簡便，易于小型化的特點(diǎn)，而且輸出性能好，具備良好的發(fā)展前景.

［1］楊志剛，程光明.雙彎曲駐波旋轉(zhuǎn)型超聲馬達(dá)［J］.壓電與聲光，1995，17（6）：50-54.

［2］趙淳生.超聲電機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2007：241-261.

［3］胡敏強(qiáng)，金龍，顧菊平.超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：169-184.

［4］劉宏偉.圓柱定子雙彎曲振動超聲波電機(jī)及電源的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究［D］.泉州：華僑大學(xué)，2007.

［5］林書玉.超聲換能器的原理及設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2004：91-100.

［6］劉宏偉，洪尚任，林星凌，等.振動片式壓電電機(jī)定子的實(shí)驗(yàn)［J］.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，30（2）：127-130.

Design of Ultrasonic Motor Using Dual Bending Travelling-Wave Rotating Mode

WANG Guo-yan1，HONG Shang-ren1，WANG Guo-rong2
（1.College of Mechanical Engineering and Automation，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China；2.Faculty of Engineering，Donghu College，Wuhan University，Wuhan 430212，China）

According to the principle of ultrasonic transducer and the corresponding design theory，driving mechanism and the design method of ultrasonic motor，structure of which is dual bending travelling wave rotating mode of cylinder stator，have been studied.Experiments have been done to test the effects which excitation frequency，driving voltage and respectively have taken on the rotational speed characteristics of the prototype of ultrasonic motor.The results have shown that the greater the frequency of the input signal deviates from the resonant frequency，the more the rotational speed slows down，and the adjustable range of the frequency is a little small and the motor speed is very sensitive to the change of the frequency of the input signal；there is a clear approximate linear relationship between the output rotational speed of the motor and the trend of the change of driving voltage；and precompression has greater impact on the output characteristics of ultrasonic motors.

ultrasonic motor；cylinder stator；bending vibration；rotational speed characteristics

TM 359.902

A

1000-5013（2010）06-0715-03

（責(zé)任編輯：陳志賢 英文審校：鄭亞青）

2009-07-29

洪尚任（1944-），男，教授，主要從事機(jī)電系統(tǒng)及超聲波電機(jī)的研究.E-mail：srhong@hqu.edu.cn.

國務(wù)院僑辦科研基金資助項(xiàng)目（04QZR10）