喬 木，洪尚任

(華僑大學，福建廈門362021)

0 引 言

超聲波電動機擁有許多傳統(tǒng)電機無法比擬的優(yōu)勢，比如重量輕、無電磁干擾、機械結(jié)構(gòu)簡單、無需齒輪減速器、噪聲低、高自鎖力和高的位置精度等，使得超聲波電動機在許多工業(yè)領域得到了廣泛的應用。

本文提出了一款由雙蘭杰文振子組成的V型超聲波直線電動機，詳細介紹了電機的工作原理并且使用有限元分析的方法優(yōu)化了電機的定子。

1 V型電機定子的結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 V型電機定子的結(jié)構(gòu)

由圖1可知，電機的定子部分由摩擦材料、前蓋板、壓電陶瓷、螺母、支撐架和雙頭螺桿組成。

圖1 V型電機定子結(jié)構(gòu)

前蓋板采用的是階梯型變幅桿，目的是將壓電陶瓷產(chǎn)生的振動能放大。這里使用密度小、能夠承受很大張拉應力的鋁合金2AI1;定子尾部的螺母使用的是不銹鋼304，它的特點是密度大、強度高，聲速較鋁合金材料小，有利于振動波最大限度地向前輻射，從而提高電機的效率。同時尾部使用重金屬，還能夠有效地縮短定子的尺寸;定子中部是兩對面對面放置的圓環(huán)形壓電陶瓷片，尺寸是Φ20 mm×Φ10 mm，其中正極接在兩個壓電陶瓷片中間，電極片使用的是普通薄銅片。為了消除壓電陶瓷片和薄銅片之間空氣間隙，并且提高定子組裝效率，我們使用環(huán)氧樹脂膠將壓電陶瓷片和銅片粘成了一體。摩擦材料使用的是碳素工具鋼T8。支撐架的厚度是5 mm，使用的材料是鋁合金2AI1，它的作用是將兩側(cè)的蘭杰文振子連接在一起，并且通過它將定子與外界固定起來。

1.2 電機的工作原理

使用ANSYS軟件對定子進行固有模態(tài)計算。將支撐架的下表面作為位移約束。當給定子兩側(cè)接入相同頻率、相同相位的高頻電信號時，將激發(fā)出圖2(b)所示的對稱振動，此時定子驅(qū)動足法向運動;當定子兩側(cè)接入的電信號頻率相同，相位相反時，將激發(fā)出圖2(a)所示的非對稱振動，此時定子驅(qū)動足切向運動。

圖2 定子的工作模態(tài)

如果給定子左右兩側(cè)接入兩個同頻、相位差為90°的高頻電信號時，調(diào)整輸入電流的頻率，直到能夠同時激發(fā)出對稱和非對稱兩個振動模態(tài)。這樣，兩個振動疊加的結(jié)果是，定子的驅(qū)動足上出現(xiàn)橢圓運動。當切換左右兩側(cè)的電信號，驅(qū)動足的橢圓運動將反向。

在ANSYS中所需要的各種材料參數(shù)和有限元劃分的單元類型，如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2 使用ANSYS軟件對定子進行優(yōu)化

使用ANSYS軟件對定子進行固有模態(tài)計算，由計算結(jié)果可知，定子是利用一階縱振和二階彎振工作的。最初設計的定子，其對稱振動和非對稱振動的固有頻率差為826 Hz，而且偽振動(驅(qū)動足部分振動方向垂直于對稱振動和非對稱振動的工作面)的固有頻率與非對稱的固有頻率差僅為950 Hz。所以需要對定子進行優(yōu)化。優(yōu)化的目標是對稱振動和非對稱振動的固有頻率差控制在300 Hz左右，偽振動的固有頻率要遠離對稱振動和非對稱振動的固有頻率。這里將螺母的長度作為調(diào)整參數(shù)，圖3為螺母長度與定子固有頻率的關(guān)系曲線。圖4是定子偽振動的位移云圖。

當后蓋板長度為41 mm時，V型定子的非對稱振動模態(tài)(24 734 Hz)和對稱振動模態(tài)(25 021 Hz)的頻率差是287 Hz，達到了優(yōu)化要求。而此時的偽振動(22 982 Hz)也已經(jīng)遠離了兩個工作模態(tài)。

圖3 螺母長度與定子固有頻率的關(guān)系曲線

圖4 偽振動位移云圖(22 982 Hz)

通過圖2可以看到，支撐架的變形量非常小，說明支撐架確實位于兩個蘭杰文振子的位移節(jié)面處。這樣就可以最大限度地降低由于支撐架的變形而消耗的能量，提高了電機的輸出效率。

3 V型電機的輸出特性

圖5是實驗平臺照片，直線滑軌的材料為45#鋼，行程130 mm，移動部分的重量是100 g，定子兩側(cè)螺母的預緊力為7 N。

圖5 實驗平臺

3.1 無負載速度－頻率特性

當彈簧預壓力F=11 N，電源輸入電壓峰－峰值680 V，相位差90°時，電機的無負載速度－頻率特性曲線如圖6所示。由圖6可知，實驗樣機的諧振頻率 f=22.9 kHz。當電源的激勵頻率逐漸遠離諧振頻率時，電機的輸出速度逐漸降低。在預壓力11 N，輸入電壓峰－峰值680 V，相位差為90°時，電機無負載的輸出速度達到162.5 mm/s。輸入頻率22～24 kHz范圍內(nèi)變化時，電機速度都在40 mm/s以上。由此可以說明，電機可工作的頻率范圍很大，抗干擾能力較強。

圖6 電機無負載的速度－頻率特性曲線

3.2 無負載速度－預壓力特性

圖7給出的是電機在驅(qū)動頻率f=23.32 kHz，輸入電壓峰－峰值680 V，相位差為 90°時，無負載的情況下測得的速度－預壓力曲線。

圖7 無負載速度－預壓力特性

由圖7可以得知，預壓力的大小對于電機的輸出速度有很大的影響。當預壓力F=11 N時，電機輸出的速度最大。在較小的預壓力下，定子驅(qū)動足與導軌之間的壓力較小，即定子驅(qū)動足與直線滑軌之間的彈性變形量較小，使得定子驅(qū)動足與直線滑軌間的接觸時間較短，所以直線滑軌的前進步幅較大，這時電機表現(xiàn)出的是速度比較快;當電機的預壓力逐漸增大時，定子驅(qū)動足部分的彈性變形加大，從而延長了定子驅(qū)動足與直線滑軌之間的接觸時間，使得直線滑軌的前進步幅減小，電機的輸出速度降低。

3.3 無負載速度－電壓特性

圖8 無負載速度－電壓特性

圖8給出的是電機在給定諧振頻率f=22.9 kHz，相 位 差 為90°，預壓力 F=11 N時，測得的無負載速度－電壓特性曲線。本次實驗中，使用了四個不同電壓峰 －峰值，分別為 600 V、680 V、780 V、880 V，通過圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著電壓的增加，電機的輸出速度不斷提高。在諧振頻率f=22.9 kHz，電壓峰－峰值為880 V，相位差為90°，預壓力F=11 N時，電機取得了本次實驗的最大值，達到了206 mm/s。

3.4 有負載速度－頻率特性

電機在實際使用過程中，一定是帶有負載的。所以，電機在施加負載后的工作狀態(tài)，對于電機實際的應用更加具有參考價值。

圖9 有負載速度－頻率特性

電機有負載速度－頻率特性，如圖9所示。在接入負載G=1.93 N后，為了增加定子驅(qū)動足與直線滑軌間的摩擦力，我們增加了預壓力，實驗中的預壓力F=21 N。在實驗過程中，調(diào)節(jié)不同的頻率，直線滑軌的運動很平穩(wěn)，沒有噪聲。電機在諧振頻率f=22.9 kHz處，速度達到最大值為102 mm/s。與圖6對比可知，接入負載G=1.93 N后，電機的可工作頻率范圍變小。

3.5 單側(cè)蘭杰文振子驅(qū)動時的速度－頻率特性

當只有一側(cè)的振子被激勵時，由壓電陶瓷產(chǎn)生的縱振波一部分傳遞到了驅(qū)動足，而另一部分縱振波則傳向了另外一側(cè)的振子，經(jīng)過后蓋板反射后再次到達驅(qū)動足。這列經(jīng)過反射后的波便與激振源產(chǎn)生的振動波出現(xiàn)了相位差。這相當于另一側(cè)的振子也被施加了一個同頻率不同相位的振動信號。所以，在某一頻率范圍內(nèi)，定子驅(qū)動足依然可以產(chǎn)生對稱振動和非對稱振動。兩種振動疊加的結(jié)果，便是定子驅(qū)動足上的橢圓運動。

圖10 單側(cè)驅(qū)動速度－頻率特性

圖10是給定驅(qū)動電壓峰 －峰值680 V，彈簧的預壓力F=11 N時，無負載條件下，單個蘭杰文振子的速度－頻率特性。

3.6 電機輸出力實驗

實驗測得電機最大輸出力為10.5 N，單側(cè)振子驅(qū)動時的最大輸出為5 N。但是，同時發(fā)現(xiàn)當負載超過5 N時，由于需要增加預壓力以提供足夠大的摩擦力，電機在驅(qū)動負載的運行中，噪聲開始加大。當負載達到10 N時，定子驅(qū)動足與導軌之間的磨損開始加劇，使得電機在運行中發(fā)出刺耳的噪聲，并且直線滑軌的運行變得很不平穩(wěn)，運動速度不均勻。這是由于定子驅(qū)動足與直線滑軌之間出現(xiàn)打滑現(xiàn)象引起的。這說明界面的摩擦系數(shù)不夠大。本次試驗驅(qū)動足與直線滑軌構(gòu)成的摩擦副的摩擦系數(shù)約為0.2。如果要提高電機的輸出力和壽命，還需要提高直線滑軌和定子之間摩擦副的摩擦系數(shù)。圖11是輸出力實驗前后，直線滑軌表面的對比。

4 結(jié) 語

本文設計了一款V型超聲波直線電動機，使用ANSYS軟件計算了電機的對稱模態(tài)和非對稱模態(tài)頻率，并對定子進行了優(yōu)化。優(yōu)化的結(jié)果是對稱模態(tài)和非對稱模態(tài)的頻率差為287 Hz，使兩者能夠更好的簡并。對電機做了比較詳細的輸出特性實驗，實驗表明該電機最大輸出速度206 mm/s，最大輸出力10.5 N。

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