王光慶， 沈潤杰， 郭吉豐

(1.浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江杭州 310018;2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

行波型超聲波電動(dòng)機(jī)PZT極化分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

王光慶1， 沈潤杰2， 郭吉豐2

(1.浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院，浙江杭州 310018;2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

為提高行波型超聲波電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出性能，根據(jù)超聲波電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸面力傳遞模型提出了基于能量指標(biāo)的超聲波電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以能量指標(biāo)參數(shù)作為電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的評價(jià)依據(jù)。建立超聲波電動(dòng)機(jī)定子有限元模型，計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)不同工作模態(tài)下的能量指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)探討了能量指標(biāo)對壓電陶瓷的極化分區(qū)模式優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響，提出改進(jìn)的B04超聲波電動(dòng)機(jī)極化分區(qū)模式;研究結(jié)果表明PZT極化分區(qū)改進(jìn)后的超聲波電動(dòng)機(jī)的速度和力矩分別為960r/min和9mN·m，電動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)(速度和力矩)較未改進(jìn)前的提高了一倍。提出的PZT極化分區(qū)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可以為超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和輸出性能的提高提供理論參考。

超聲波電動(dòng)機(jī);能量參數(shù);優(yōu)化設(shè)計(jì);壓電陶瓷;極化模式

0 引言

超聲波電動(dòng)機(jī)是通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使得彈性體定子表面產(chǎn)生彎曲振動(dòng)波，推動(dòng)與之摩擦接觸的轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)電磁型電動(dòng)機(jī)相比，超聲波電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、低速大力矩(可直接驅(qū)動(dòng))、響應(yīng)速度快、控制精確度高、沒有電磁噪聲、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景，如航空航天、醫(yī)療器械、精密驅(qū)動(dòng)、汽車工業(yè)、工業(yè)控制和機(jī)器人等。超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理決定了電動(dòng)機(jī)在工作的過程中同時(shí)進(jìn)行著能量轉(zhuǎn)換和能量傳遞兩個(gè)過程。能量轉(zhuǎn)換過程主要是指壓電陶瓷通過逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為彈性體定子的機(jī)械振動(dòng)能;能量傳遞過程則是指彈性體定子和柔性轉(zhuǎn)子之間通過摩擦接觸的機(jī)械能傳遞過程。可見，壓電陶瓷的能量轉(zhuǎn)換效率和定轉(zhuǎn)子接觸面的能量傳遞效率是決定超聲波電動(dòng)機(jī)機(jī)械性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素。因此，對超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)行能量優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅有利于提高超聲波電動(dòng)機(jī)機(jī)械性能，也有利于實(shí)現(xiàn)超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。目前，超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究主要集中在電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)層面，通過優(yōu)化超聲波電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、支撐和預(yù)緊結(jié)構(gòu)的形式及敏感參數(shù)來提高電動(dòng)機(jī)的輸出性能［1－5］。不難看出，對超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在一定程度上可以改善其輸出性能，但是，要徹底改善和提高超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出性能必須要對其能量進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和分配，提高壓電陶瓷的能量轉(zhuǎn)換效率和定轉(zhuǎn)子接觸面的能量傳遞效率。此外，現(xiàn)今超聲波電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型中面臨一個(gè)重要的問題就是壓電陶瓷極化分區(qū)模式的優(yōu)化，這是提高壓電陶瓷激振效率的重要手段，現(xiàn)有的理論模型都采用簡化的壓電陶瓷線性本構(gòu)關(guān)系，這使得理論仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的差距［6－9］。

本文以行波型超聲波電動(dòng)機(jī)為研究對象，根據(jù)其定轉(zhuǎn)子接觸面力傳遞模型提出了能量優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)對超聲波電動(dòng)機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)的選取、壓電陶瓷的極化分區(qū)模式進(jìn)行研究。

1 超聲波電動(dòng)機(jī)能量優(yōu)化設(shè)計(jì)理論

行波型超聲波電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸面力傳遞模型如圖 1 所示［10－12］。

圖1中，A、B分別定轉(zhuǎn)子接觸起始位置，E、F是定子齒面切向振動(dòng)速度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相等的位置。υ是定子齒面某點(diǎn)的切向速度，υr轉(zhuǎn)子線速度。E、F將定轉(zhuǎn)子接觸面分成AE、EF、FB 3個(gè)區(qū)域，其對應(yīng)的接觸面大小分別為S1、S2和S3。由超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)理可知，接觸面S1、S3對應(yīng)的區(qū)域AE和FB中，定子齒面切向振動(dòng)速度小于轉(zhuǎn)子線速度，因此，該區(qū)域定子對轉(zhuǎn)子起阻止作用，該區(qū)域的能量被視為摩擦損耗能。而接觸面S2對應(yīng)的區(qū)域EF中，定子齒面切向振動(dòng)速度大于轉(zhuǎn)子線速度，因此，該區(qū)域定子對轉(zhuǎn)子起推動(dòng)作用，該區(qū)域的能量成為有用功?？梢?，增大S2接觸面能夠有效地增加定子對轉(zhuǎn)子的推動(dòng)作用，從而達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)的輸出性能。由圖1可知，在轉(zhuǎn)子線速度υr保持一定的情況下，增大定子齒面各質(zhì)點(diǎn)的切向速度，有利于增大接觸面S2，減小S1和S3。此外，定子齒面各質(zhì)點(diǎn)的切向速度 υ 和切向力 Ft為［9－12］

式中:k為定子彎曲振動(dòng)周波數(shù);d0為定子中性面到定子齒面的距離;ξ為定子軸向振動(dòng)位移;ω為驅(qū)動(dòng)角頻率;x為質(zhì)點(diǎn)坐標(biāo);ε為滑動(dòng)摩擦系數(shù);υr為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速;F為對應(yīng)質(zhì)點(diǎn)受到的預(yù)緊力。

圖1 行波型超聲波電動(dòng)機(jī)力傳遞模型Fig.1 Force transform model of USM

引入能量指標(biāo)參數(shù) p= ωξ，在k、h0、ε、υr及 F 都確定的情況下，p越大，則定子齒面質(zhì)點(diǎn)的切向速度υ越大，該質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的切向力Ft也大。因此，從能量傳遞的角度出發(fā)，本文提出利用定子齒面的切向速度(即切向振動(dòng)能量E=mυ2/2)作為電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的評價(jià)理論。

2 超聲波電動(dòng)機(jī)PZT的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 超聲波電機(jī)定子有限元模型

超聲波電機(jī)的定子是由壓電陶瓷、膠粘層和定子金屬彈性體構(gòu)成，其截面如圖2所示，其中A為基座，B為支撐部分，C為定子彈性金屬體，虛線表示定子齒槽，D表示膠粘層，E為壓電陶瓷，基座內(nèi)外半徑分別為R1和R2，定子齒內(nèi)外半徑分別為R3和R4，齒槽深為Ht，定子彈性體厚度為H，壓電陶瓷厚度為Hp，膠粘層厚度為Ha。建模過程中，認(rèn)為金屬彈性體與壓電陶瓷的表面是理想的平面，且膠粘層均勻地散布在兩者之間。

圖2 超聲波電機(jī)定子截面示意圖Fig.2 The cross-section area of USM stator

利用Hamilton原理和應(yīng)力—應(yīng)變、應(yīng)變—位移及電勢—電場之間的關(guān)系［9］得

式中:T、U、WE、WN和WT分別表示電機(jī)定子系統(tǒng)的動(dòng)能、勢能、電場能、法向功和切向功;D為電位移矢量;E為電場矢量;Ti(i=1，2，3)為機(jī)械應(yīng)力矢量;Si(i=1，2，3)為應(yīng)變矢量;ci(i=2，3)分別為金屬體和膠粘層的剛度矩陣;εS為恒定應(yīng)變下的介電矩陣;cE恒電場下的剛度矩陣;e為壓電矩陣。將式(4)～式(6)代入式(3)便可以推導(dǎo)出MUSM定子采用8節(jié)點(diǎn)六面體耦合單元離散后的運(yùn)動(dòng)方程［12］，即

式中:Me為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量矩陣;Ce為節(jié)點(diǎn)阻尼矩陣;Ke為節(jié)點(diǎn)剛度矩陣;ue為節(jié)點(diǎn)位移矢量;Fe為節(jié)點(diǎn)力矢量;ve和Qe分別為節(jié)點(diǎn)電勢矢量和電荷矢量;Θe為節(jié)點(diǎn)機(jī)電耦合矩陣;Pe為節(jié)點(diǎn)電容矩陣。將節(jié)點(diǎn)單元矩陣組集得到定子系統(tǒng)的有限元運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，即

式中:M、C、K分別為定子結(jié)構(gòu)質(zhì)量、阻尼和彈性系數(shù)矩陣;Θ、P為壓電剛度矩陣和介電剛度矩陣;Q為電荷的節(jié)點(diǎn)值矢量;u、v為位移和電壓的節(jié)點(diǎn)值矢量。

基于上述超聲波電機(jī)有限元模型，假如相應(yīng)的邊界約束條件和激勵(lì)信號條件，利用ANSYS有限元分析軟件計(jì)算得到電機(jī)定子的振動(dòng)模態(tài)、頻率、振動(dòng)特性以及能量指數(shù)等。某行波型超聲波電動(dòng)機(jī)(直徑10.4mm)定子結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)如表1和表2所示。

表1MUSM定子結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Parameters of construction of MUSM Stator

表2 電機(jī)定子材料參數(shù)Table 2 Parameters of material of MUSM Stator

表3是通過有限元模型計(jì)算得到的電動(dòng)機(jī)的工作模態(tài)頻率、振動(dòng)幅值和能量指標(biāo)表。

表3 超聲波電動(dòng)機(jī)不同工作模態(tài)下的能量指標(biāo)Table 3 Energy indexes of USM under different operating modals

2.2 工作模態(tài)的優(yōu)化與選擇

行波型超聲波電動(dòng)機(jī)工作模態(tài)主要以B0n為主的軸向彎曲振動(dòng)模態(tài)，n為節(jié)徑數(shù)。圖3是由式(8)有限元模型計(jì)算得到的該行波型超聲波電動(dòng)機(jī)(直徑10.4mm)的B02～B05模態(tài)振型及其頻率。

可以看出，n越大，電動(dòng)機(jī)工作模態(tài)頻率就越高，在一定功率輸入下，電動(dòng)機(jī)定子表面質(zhì)點(diǎn)軸向振動(dòng)位移ξ越小。相反，n越小，電動(dòng)機(jī)工作模態(tài)頻率就越低，在一定功率輸入下，電動(dòng)機(jī)定子表面質(zhì)點(diǎn)軸向振動(dòng)位移ξ越大。由式(1)和式(2)可知，如果僅通過定子表面質(zhì)點(diǎn)軸向振動(dòng)位移ξ的大小來選取電動(dòng)機(jī)的工作模態(tài)，很難使電動(dòng)機(jī)的輸出性能達(dá)到最優(yōu)。這里，通過考察電動(dòng)機(jī)在各階模態(tài)下的能量指標(biāo)p=ωξ來選取電動(dòng)機(jī)的工作模態(tài)。由表3可知，B04模態(tài)的能量指數(shù)最大，因此，電機(jī)的工作模態(tài)取B04。

圖3 USM定子的主要模態(tài)Fig.3 Main modal of the USM stator

2.3 壓電陶瓷分區(qū)極化模式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在相同的定子尺寸參數(shù)和電壓激勵(lì)下，定子的軸向振幅隨驅(qū)動(dòng)模態(tài)的增加而減小，說明在低頻時(shí)容易使定子激起較大的振幅位移。但從另外一個(gè)角度看，壓電片與定子之間、定子與轉(zhuǎn)子之間是一種能量的傳遞，在相同的驅(qū)動(dòng)電壓下，壓電片的利用率對能量的轉(zhuǎn)換和傳遞起到很關(guān)鍵的作用［11，13］。

目前，行波型超聲波電動(dòng)機(jī)定子中PZT分區(qū)極化形式主要采用如圖4所示的形式?？梢钥闯?，采用低模態(tài)B03驅(qū)動(dòng)時(shí)，如圖4(a)所示中A、B區(qū)域，PZT在整個(gè)定子中能夠激發(fā)出3個(gè)行波，但只有A區(qū)、B區(qū)的PZT起能量轉(zhuǎn)換作用，其他一個(gè)行波內(nèi)的PZT基本不起到能量轉(zhuǎn)換作用，壓電材料利用率(有效利用面積與PZT總面積之比)只有66.7%。而采用較高模態(tài)B04時(shí)壓電材料利用率可達(dá)75%，如圖4(b)所示。圖4(a)與圖4(b)相比，雖然PZT的有效利用率低，但由于其振動(dòng)模態(tài)和振動(dòng)頻率較低，因此軸向振動(dòng)位移要大些。以此類推，如果采用更高模態(tài)B05驅(qū)動(dòng)，PZT的利用率就更高，可達(dá)80%，但此時(shí)的振動(dòng)位移更小，使得其能量轉(zhuǎn)換降低?？梢娎枚ㄗ诱駝?dòng)位移作為定子優(yōu)化設(shè)計(jì)的評價(jià)依據(jù)還有待于進(jìn)一步得到驗(yàn)證。

圖4 PZT極化分區(qū)模式Fig.4 Traditional polarization patterns of PZT

利用上述提出的能量優(yōu)化評價(jià)理論思路，為了提高PZT的利用率和能量轉(zhuǎn)換率，對圖4(b)所示的PZT極化分區(qū)形式進(jìn)行改進(jìn)，如圖5所示，PZT的利用率達(dá)到93.7%。利用有限元模型計(jì)算得到的電機(jī)參數(shù)結(jié)果如表3所示(PZT厚度為0.4mm)。從表中可以看出B04、B05模態(tài)驅(qū)動(dòng)軸向振動(dòng)位移比B03小，但最大切向速度比B03的大，改進(jìn)后定子的p值比改進(jìn)前的提高約10%，且最大切向速度也比改進(jìn)前的最大切向速度增加。

圖5 改進(jìn)后B04PZT極化分區(qū)模式Fig.5 Modified polarization pattern for B04modal

假設(shè)，圖4(a)所示的PZT極化分區(qū)模式中PZT的有效利用面積為S1，圖4(b)所示的PZT極化分區(qū)模式中PZT的有效利用面積為S2，兩者的厚度均為h，且單位體積PZT的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率為η，一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)電能輸入為WE，則經(jīng)過圖4(a)分區(qū)模式和圖4(b)分區(qū)模式后PZT機(jī)電轉(zhuǎn)換輸出的能量分別為

顯然，兩種分區(qū)極化模式的機(jī)電轉(zhuǎn)換輸出能量比就是PZT的有效利用面積之比，即=由文獻(xiàn)［10］可知，超聲波電機(jī)定子行波在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的能量為

式中:δ為定子結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù);E為定子材料彈性模量;I為定子截面慣性矩;n為定子行波波數(shù)。

由式(9)～式(11)可得

由式(12)可知，對于相同工作模態(tài)的電機(jī)而言(以B模態(tài)和改進(jìn)的B模態(tài)為例)，有==

04041.25，由表3可知=1.09，因此，由式(12)可知，p2=1.15p1，即改進(jìn)PZT的極化分區(qū)后，PZT的有效利用率增加，導(dǎo)致電機(jī)的能量指標(biāo)參數(shù)增大。

此外，對于不同工作模態(tài)的電機(jī)，由圖4可知B04PZT極化分區(qū)模式的機(jī)電轉(zhuǎn)換輸出能量是B03PZT極化分區(qū)模式的機(jī)電轉(zhuǎn)換輸出能量的1.2倍，而改進(jìn)后B04PZT極化分區(qū)模式的機(jī)電轉(zhuǎn)換輸出能量是3個(gè)行波的1.4倍，這與表3中對應(yīng)的能量指標(biāo)參數(shù)之間的比例關(guān)系非常吻合。這也證明了通過提高能量指標(biāo)參數(shù)來改進(jìn)PZT的極化分區(qū)模式，有利于提高PZT的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率，達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)的輸出速度。

另外，電動(dòng)機(jī)性能的另一個(gè)重要指標(biāo)參數(shù)是電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩 Tmax，其表達(dá)式［10］為

則在相同電輸入能量和預(yù)緊力作用下，由式(13)可知，采用圖4(a)所示B03極化模式和圖4(b)所示B04極化模式的超聲波電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩比［13］為

其中，下標(biāo)3、4分別表示 B03、B04模式。

在相同的預(yù)壓緊力F作用下，由式(15)可得

超聲波電動(dòng)機(jī)受到的預(yù)壓緊力F表達(dá)式為

式中，Tmaxi為PZT改進(jìn)極化分區(qū)模式后超聲波電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩。

由式(18)～式(21)可知，采用圖4(a)所示B03極化模式和圖4(b)所示B04極化模式的超聲波電動(dòng)機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩比與他們的能量指數(shù)比成正比，在參數(shù)a確定的情況下，能量指數(shù)的大小就決定了電動(dòng)機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩的大小。PZT極化分區(qū)模式改進(jìn)后，超聲波電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩是B03極化模式的2倍以上?？梢姡捎酶叩哪芰恐笖?shù)的PZT極化分區(qū)模式有利于提高電動(dòng)機(jī)的輸出特性，即堵轉(zhuǎn)力矩大。這也進(jìn)一步證明了本文所提出的能量優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的正確性。

3 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)上述分析，制作了直徑10.4mm的行波型超聲波電動(dòng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)分別見表1和表2，PZT的極化分區(qū)形式分別采用圖4和圖5所示形式。原理樣機(jī)和試驗(yàn)系統(tǒng)如圖6所示［11］，在超聲波電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)軸上同軸安裝半徑為r(mm)的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤通過細(xì)繩懸掛重為m(g)的砝碼，則電動(dòng)機(jī)輸出力矩T=(mN·m)。電動(dòng)機(jī)速度采用定時(shí)間測脈沖數(shù)的方法，通過示波器采集一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)n來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，若示波器橫軸每格設(shè)定時(shí)間為t(ms/div)，示波器滿屏為10div，則總時(shí)間為0.01 t(s)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈輸出8個(gè)脈沖，此時(shí)若測得示波器滿屏的脈沖數(shù)為n，則電機(jī)轉(zhuǎn)速υ=750 n/t(r/min)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，由圖7可見，PZT采用圖4(a)所示的B03模態(tài)極化分區(qū)形式，電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速只有400 r/min，最大堵轉(zhuǎn)力矩為5 mN·m，PZT采用圖4(b)所示的B04模態(tài)極化分區(qū)形式，電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速提高到600 r/min，最大堵轉(zhuǎn)力矩也增大到6 mN·m，這主要是由于采用圖4(b)所示的極化分區(qū)形式PZT利用率比圖4(a)所示的高，但是，該特性曲線不是太穩(wěn)定，這主要是由于PZT的各分區(qū)不均勻造成的。PZT采用圖5改進(jìn)后B04模態(tài)的極化分區(qū)形式，且各分區(qū)的d33誤差控制在5%以內(nèi)，則電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速達(dá)到1000 r/min，最大堵轉(zhuǎn)力矩達(dá)到9.5 mN·m，其特性均要比改進(jìn)前的提高，且輸出特性曲線也較穩(wěn)定，基本呈線性關(guān)系，如圖7所示。

圖6 原理樣機(jī)及試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.6 Prototype and testing set of USM

圖7 電動(dòng)機(jī)力矩—速度試驗(yàn)曲線Fig.7 Experimental results of USM

由圖7可知，經(jīng)本文提出的能量優(yōu)化設(shè)計(jì)理論改進(jìn)后的超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出速度和堵轉(zhuǎn)力矩都有很大的提高，其速度和堵轉(zhuǎn)力矩都約為B03模態(tài)電動(dòng)機(jī)的2倍左右，驗(yàn)證了式(21)的正確性。

4 結(jié)論

本文根據(jù)超聲波電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸力傳遞模型，提出了基于能量指標(biāo)的超聲波電動(dòng)機(jī)PZT優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，以能量指標(biāo)參數(shù)p作為電動(dòng)機(jī)PZT優(yōu)化設(shè)計(jì)評價(jià)依據(jù)，得到以下結(jié)論:

1)量指標(biāo)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論是以超聲波電動(dòng)機(jī)的工作頻率和振動(dòng)位移之積綜合衡量定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，克服了僅以振動(dòng)位移單一參數(shù)來衡量定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理的局限性;

2)對于采用相同工作模態(tài)的電機(jī)而言，提高PZT的有效利用率可以提高能量指標(biāo)參數(shù)p，達(dá)到提高電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出性能，即輸出速度和堵轉(zhuǎn)力矩將提高;

3)的B04超聲波電動(dòng)機(jī)壓電陶瓷極化分區(qū)模式，提高了PZT的有效使用率和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械輸出特性，其輸出速度和輸出力矩是未改進(jìn)前的2倍。

研究結(jié)果對優(yōu)化超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和提高電機(jī)輸出性能具有理論指導(dǎo)依據(jù)。

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(編輯:于智龍)

Optimal design of the PZT polarization pattern of the traveling-wave type ultrasonic motor

WANG Guang-qing1， SHEN Run-jie2， GUO Ji-feng2
(1.College of Information and Electronics Engineering，Zhejiang Gongshang University，Hangzhou 310018;2.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027)

In order to improve the mechanical output performances of the traveling-wave type ultrasonic motor(USM)，an optimal design method based on the energy indexes for the USM was proposed according to the force transform model of the ultrasonic motor contact surface between the stator and the rotor.The finite element model of the USM stator was established and the energy indexes under several different operating modals of the USM were computed.Based on the energy indexes，the effects on the vibration modals and the polarization pattern of the piezoelectric ceramic(PZT)of the USM were studied，and a modified B04polarization pattern of the PZT was proposed to improve the mechanical output performances of the USM.Research results indicate that the output speed and the output torque of the modified USM are 960r/min and 9mN·m，respectively which are both larger than the output speed and the output torque of the USM without modifying the PZT.The proposed optimization method for PZT polarization pattern contributes to improving the structure design and the output performances of USMs.

ultrasonic motors;energy index;optimal design;piezoelectric ceramic;polarization pattern

TM 356

A

1007－449X(2011)04－0067－07

2010－11－13

浙江省自然科學(xué)基金(Y1080037);浙江省教育廳項(xiàng)目(20070636);浙江省高校優(yōu)秀青年教師資助項(xiàng)目

王光慶(1975—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)閴弘姵暡妱?dòng)機(jī)、壓電發(fā)電和振動(dòng)控制等;

沈潤杰(1973—)，男，博士，副研究員，研究方向?yàn)閴弘姵暡妱?dòng)機(jī)、和振動(dòng)控制等;

郭吉豐(1964—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閴弘姵暡妱?dòng)機(jī)器人和振動(dòng)控制等。