王光慶，高帥帥，李蕭均，楊斌強(qiáng)

(浙江工商大學(xué)，杭州 310018)

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能量回饋型超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與特性分析

王光慶，高帥帥，李蕭均，楊斌強(qiáng)

(浙江工商大學(xué)，杭州 310018)

為解決極端封閉環(huán)境中微機(jī)器人檢測(cè)精密驅(qū)動(dòng)及其電子設(shè)備自供電問(wèn)題，提出了一種具有振動(dòng)能量采集功能的超聲波電動(dòng)機(jī)。電機(jī)定子由兩組壓電陶瓷和金屬基體構(gòu)成錐面夾心結(jié)構(gòu)，一組壓電陶瓷利用逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精密驅(qū)動(dòng)與定位；另一組壓電陶瓷利用正壓電效應(yīng)將定子機(jī)械振動(dòng)能采集轉(zhuǎn)換成電能，實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件自供電。對(duì)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)和壓電陶瓷極化分區(qū)模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用有限元分析軟件建立了電機(jī)定子結(jié)構(gòu)有限元機(jī)電耦合模型，仿真分析了電機(jī)振動(dòng)模態(tài)、諧響應(yīng)、輸入導(dǎo)納特性、能量采集轉(zhuǎn)換特性和阻抗匹配特性等。研究結(jié)果為實(shí)現(xiàn)基于壓電轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)和能量采集一體化機(jī)電產(chǎn)品提供理論基礎(chǔ)。

振動(dòng)能量采集；超聲波電動(dòng)機(jī)；有限元；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

0 引 言

如何對(duì)工作在極端惡劣環(huán)境(如密封、有毒、高低溫等)中的設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)與控制是近年來(lái)困擾工業(yè)界的一個(gè)重要難題。微型機(jī)器人由于不需要人類的干預(yù)與操控等優(yōu)勢(shì)成為解決該問(wèn)題的首選，并廣泛應(yīng)用于上述極端惡劣環(huán)境中[1-2]。然而，當(dāng)前大部分工作在極端惡劣環(huán)境中的微型機(jī)器人的能源動(dòng)力均為有限能源，這嚴(yán)重影響了微型機(jī)器人的工作壽命，一旦有限能源耗盡，機(jī)器人將無(wú)法繼續(xù)工作。因此，向極端環(huán)境中工作的微型機(jī)器人提供可持續(xù)的能源是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域迫切需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。另外，目前機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)大都采用電磁電機(jī)輔助減速機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)控制方式，這種驅(qū)動(dòng)方式增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性與控制成本。

超聲波電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱USM)是一種新型原理與結(jié)構(gòu)的微型特種電機(jī)。它是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成彈性體的機(jī)械振動(dòng)能，并通過(guò)摩擦接觸傳遞運(yùn)動(dòng)與力矩。它打破了迄今為止由電磁效應(yīng)獲得轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的電機(jī)的概念，是當(dāng)今世界高新技術(shù)之一[3-4]。超聲波電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低速大力矩、快速響應(yīng)、自鎖力大、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，可以直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)[5]。然而，超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行機(jī)理決定了其整體運(yùn)行效率低，這對(duì)有限能源場(chǎng)合工作的機(jī)器人來(lái)說(shuō)無(wú)疑是個(gè)軟肋。因此，如何將超聲波電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)換成有用的能源，實(shí)現(xiàn)為密封、惡劣等極端環(huán)境中工作的機(jī)器人供電，是一項(xiàng)非常有現(xiàn)實(shí)意義的研究工作。

本文提出一種能量回饋型超聲波電動(dòng)機(jī)，研究這種超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和振動(dòng)特性與能量轉(zhuǎn)換特性，為研制出更具有實(shí)用價(jià)值、集驅(qū)動(dòng)與發(fā)電功能一體化的新型超聲波電動(dòng)機(jī)打下基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微型機(jī)器人的精密驅(qū)動(dòng)和供電一體化，為微型機(jī)器人在極端環(huán)境中的廣泛應(yīng)用提供能源和動(dòng)力保障。

1 電機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到超聲波電動(dòng)機(jī)是振動(dòng)電機(jī)，為了能更好地將電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的振動(dòng)能量采集回收，借鑒主流結(jié)構(gòu)環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)本體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)的能量回饋型超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。能量回饋型超聲波電動(dòng)機(jī)主要包括錐面轉(zhuǎn)子和壓電定子兩大部分，錐面轉(zhuǎn)子通過(guò)緊固螺釘固定在輸出軸上，并通過(guò)端蓋、推力軸承的作用力，使之與壓電定子的錐面接觸。

圖1 能量回饋型超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

壓電定子結(jié)構(gòu)如圖2所示，它通過(guò)其基座上的四個(gè)螺釘孔安裝固定在底座上。壓電定子由激振壓電陶瓷環(huán)、能量采集壓電陶瓷環(huán)和帶錐面齒的金屬?gòu)椥泽w通過(guò)高強(qiáng)度粘結(jié)膠高溫固化構(gòu)成，其中能量采集器壓電陶瓷環(huán)位于壓電定子頂部、金屬?gòu)椥泽w位于壓電定子中間、激振壓電陶瓷環(huán)位于壓電振子的底部，三者構(gòu)成夾心式結(jié)構(gòu)。金屬?gòu)椥泽w內(nèi)側(cè)為錐面，與轉(zhuǎn)子錐面配合后形成摩擦驅(qū)動(dòng)接觸面。

圖2 壓電定子結(jié)構(gòu)示意圖

電機(jī)壓電陶瓷環(huán)的極化分區(qū)模式如圖3所示。激勵(lì)壓電陶瓷環(huán)采用主流環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)壓電陶瓷極化分區(qū)模式[6]，如圖3(a)所示，整個(gè)激勵(lì)壓電陶瓷被極化分成兩個(gè)左、右區(qū)16個(gè)扇區(qū)，當(dāng)壓電陶瓷被激勵(lì)時(shí)在定子內(nèi)部產(chǎn)生9個(gè)行波。能量采集器壓電陶瓷環(huán)的極化分區(qū)模式如圖3(b)所示，整個(gè)壓電陶瓷環(huán)極化分區(qū)成18個(gè)扇區(qū)，相鄰兩扇區(qū)的極化方向相反。18個(gè)扇區(qū)可以同時(shí)采集定子運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)能量，將其轉(zhuǎn)換成電能輸出。

(a) 激勵(lì)壓電陶瓷

(b) 能量采集壓電陶瓷

2 定子錐面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主流結(jié)構(gòu)環(huán)形行波型超聲波電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子摩擦接觸面是平面接觸，這種接觸形式忽略了定子齒頂表面質(zhì)點(diǎn)徑向振動(dòng)位移的影響。研究證明，徑向振動(dòng)位移與軸向振動(dòng)位移的幅值一般是一個(gè)數(shù)量級(jí)，會(huì)造成較大的徑向振動(dòng)摩擦損耗，不利于提高電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。因此，能量回饋型超聲波電動(dòng)機(jī)采用錐面結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子間的摩擦驅(qū)動(dòng)[7]，主要是為了充分利用定子齒面質(zhì)點(diǎn)的徑向和軸向振動(dòng)的合力，使之與接觸面垂直，增大接觸面的機(jī)械振動(dòng)幅值，減少接觸面徑向振動(dòng)的摩擦順好。因此，錐面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)對(duì)定轉(zhuǎn)子摩擦接觸轉(zhuǎn)換起到至關(guān)重要的作用。圖4是錐面結(jié)構(gòu)受力分析圖(只畫(huà)出轉(zhuǎn)子部分)，圖中黑粗實(shí)線代表錐面定轉(zhuǎn)子摩擦接觸結(jié)構(gòu)，F(xiàn)c表示接觸區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)子受到的預(yù)壓力，F(xiàn)r表示其他接觸區(qū)域?qū)υ摻佑|區(qū)域施加的作用合力，N為該接觸區(qū)域定子對(duì)轉(zhuǎn)子的支承力，fs為該接觸區(qū)域內(nèi)轉(zhuǎn)子受到的靜摩擦力，θw為錐面結(jié)構(gòu)錐角。

圖4 錐面轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)受力圖

假設(shè)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，且定子錐面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與轉(zhuǎn)子錐面完全垂直，此時(shí)定轉(zhuǎn)子接觸面之間不存在徑向滑動(dòng)，由此可以建立轉(zhuǎn)子軸向振動(dòng)的力平衡方程：

(1)

將fs=Nμs(μs為接觸面靜摩擦系數(shù))代入上式得到：

(2)

由上式可知， 當(dāng)θw=0時(shí)，式(2)變成：

(3)

此時(shí)，定轉(zhuǎn)子接觸面變?yōu)槠矫娼佑|形式。

當(dāng)θw<π/2時(shí)，式(2)變成:

(4)

(5)

由式(3)和式(5)可知，要在定轉(zhuǎn)子接觸面產(chǎn)生相同的支撐力，錐面接觸結(jié)構(gòu)所需的預(yù)壓力要比平面接觸結(jié)構(gòu)小。本文電機(jī)定轉(zhuǎn)子錐面靜摩擦系數(shù)為0.2，則可計(jì)算得到錐面結(jié)構(gòu)的錐角θw取值范圍為[22.5°,90°]。

3 定子特性分析

3.1 模態(tài)分析

根據(jù)圖2和圖4所設(shè)計(jì)的能量回饋型超聲波電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)，采用有限元方法對(duì)其特性進(jìn)行分析，其中定子彈性體材料為黃銅，壓電陶瓷選用無(wú)錫海鷹公司生產(chǎn)的PZT-5A，極化方向沿z軸，錐角θw為45°，定子材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1和表2所示。

表1 材料參數(shù)

表2 定子結(jié)構(gòu)尺寸 mm

利用有限元分析軟件ANSYS10建立電機(jī)定子有限元模型[8-9]，壓電陶瓷采用8節(jié)點(diǎn)六面體耦合場(chǎng)SOLID5 作為單元類型，金屬基板采用8節(jié)點(diǎn)線性結(jié)構(gòu)SOLID45 作為單元類型。由于壓電陶瓷和金屬基體之間的粘結(jié)層以及PZT表面電極的厚度很小，僅有幾十微米到幾百微米之間，在ANSYS中屬于薄膜結(jié)構(gòu)，使用SHELL63單元作為單元類型。電機(jī)定子有限元模型如圖5所示。在該模型中對(duì)金屬基體、PZT等設(shè)置單元屬性和材料特性，然后，采用“vsweep”命令對(duì)定子實(shí)體模型進(jìn)行掃略網(wǎng)格劃分。最后，通過(guò)“d”命令對(duì)基座內(nèi)徑環(huán)面進(jìn)行所有自由度的約束以及對(duì)PZT進(jìn)行節(jié)點(diǎn)電壓自由度耦合后，計(jì)算可以得到電機(jī)定子的B0,9模態(tài)及其振動(dòng)頻率，結(jié)果如圖6所示，該模態(tài)的振動(dòng)頻率為54.0 kHz。

圖5 電機(jī)定子有限元模型

圖6 電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)

3.2 輸出特性分析

給定子激勵(lì)壓電陶瓷分別施加兩個(gè)相位差為90°的正弦電壓激勵(lì)信號(hào)，如下：

(1)

式中：Am為電壓幅值；f為激勵(lì)頻率。對(duì)定子進(jìn)行掃頻分析，掃描頻率范圍為[50, 60] kHz，定子結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)為0.05，提取定子表面節(jié)點(diǎn)振動(dòng)位移響應(yīng)，其中定子表面節(jié)點(diǎn)分布如圖7所示， 1，2，3和4分別表示采集壓電陶瓷表面節(jié)點(diǎn)，5和6表示定子錐面頂點(diǎn)和低點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)。計(jì)算得到上述節(jié)點(diǎn)的軸向振動(dòng)位移和相位響應(yīng)結(jié)果如圖8和9所示。由圖8和圖9可以看出，定子表面振動(dòng)位移在54 kHz達(dá)到最大，這與模態(tài)計(jì)算分析結(jié)果是一致的，采集壓電陶瓷表面節(jié)點(diǎn)振動(dòng)位移幅值最大達(dá)到1.77 μm，且定子錐面頂部和底部節(jié)點(diǎn)振動(dòng)位移幅值基本保持一致，這有利于提高電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性。

圖7 定子表面節(jié)點(diǎn)分布情況

圖8 定子節(jié)點(diǎn)振動(dòng)位移響應(yīng)

圖9 定子節(jié)點(diǎn)振動(dòng)位移相位響應(yīng)

圖10是采集壓電片輸出電壓幅值和相位相應(yīng)的結(jié)果?？梢钥闯?，定子在諧振頻率54 kHz 處工作時(shí)，采集壓電片的輸出電壓達(dá)到最大180 V，且相位在此頻率處發(fā)生改變，由0°改變成-180°。由此可以計(jì)算得到采集壓電片輸出電流和平均輸出功率分別：

圖10 采集壓電片輸出電壓幅值和相位響應(yīng)曲線

(6)

(7)

式中:f為激勵(lì)頻率；Cp=εrA/hp為采集壓電片電容；εr,A和hp分別為采集壓電片的介電常數(shù)、面積和厚度。計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

圖11 采集壓電片輸出電流和功率

3.3 輸入導(dǎo)納特性分析

圖12是定子激勵(lì)壓電片輸入電流和相位響應(yīng)曲線?？梢钥闯觯瑢?duì)于圖3(a)的激勵(lì)壓電片極化分區(qū)模式，每片激勵(lì)壓電陶瓷的輸入電流最大值為0.11 A。根據(jù)圖12計(jì)算得到的輸入電流，利用下式可以得到定子激勵(lì)壓電陶瓷的輸入導(dǎo)納特性曲線。

圖12 定子輸入電流幅值和相位響應(yīng)

(8)

(9)

(10)

式中：Y，I和V分別為定子輸入導(dǎo)納、電流和電壓；G和B分別為電導(dǎo)和電納；ω為激勵(lì)信號(hào)角頻率。

圖13和圖14分別是計(jì)算得到的定子輸入導(dǎo)納特性曲線和導(dǎo)納圓。由圖13和圖14可以得到定子最小導(dǎo)納頻率fm、最大導(dǎo)納頻率fn、串聯(lián)諧振頻率fs、并聯(lián)諧振頻率fp、諧振頻率fr等參數(shù)。利用這些已知參數(shù)對(duì)定子等效電路模型參數(shù)進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果如表3所示。

圖13 定子輸入導(dǎo)納特性

圖14 定子輸入導(dǎo)納圓

表3 定子等效電路參數(shù)識(shí)別結(jié)果

3.4 能量采集區(qū)阻抗匹配特性分析

為了將采集輸出的電能對(duì)負(fù)載有效供電，需要對(duì)負(fù)載阻抗與采集壓電陶瓷的阻抗進(jìn)行匹配處理。采集壓電陶瓷用一個(gè)恒流源I與夾持電容Cp并聯(lián)連接表示，如圖15所示[10]，Z為外部阻抗，V為采集輸出電壓，IZ為流經(jīng)阻抗的電流，則外部阻抗的功率：

(11)

圖15 壓電陶瓷等效電路圖

圖16是負(fù)載阻抗匹配結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)負(fù)載阻抗為9kΩ時(shí)，其輸出功率達(dá)到最大0.7W，此時(shí)負(fù)載輸出功率接近采集壓電陶瓷輸出功率的50%。

圖16 采集區(qū)阻抗匹配

4 結(jié) 論

本文提出了一種具有振動(dòng)能量采集功能的超聲波電動(dòng)機(jī)，對(duì)其結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行了設(shè)計(jì)與分析，得到如下結(jié)論：

(1) 要在定轉(zhuǎn)子接觸面產(chǎn)生相同的支撐力，錐面接觸結(jié)構(gòu)所需的預(yù)壓力要比平面接觸結(jié)構(gòu)小；

(2) 錐面接觸結(jié)構(gòu)有利于電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性，降低定子徑向振動(dòng)損耗；

(3) 電機(jī)諧振頻率為54kHz，電機(jī)振動(dòng)位移幅值、采集輸出電壓、電流和輸出功率在諧振時(shí)達(dá)到最大；

(4) 當(dāng)負(fù)載阻抗與采集壓電陶瓷阻抗匹配時(shí)，負(fù)載輸出功率達(dá)到最大，且為采集壓電陶瓷輸出功率的50%。

研究結(jié)果為能量回饋型超聲波電動(dòng)機(jī)樣機(jī)制作和實(shí)驗(yàn)研究提供了理論基礎(chǔ)。

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Design and Performances of an Energy-Feedback Type Ultrasonic Motor

WANG Guang-qing, GAO Shuai-shuai, LI Xiao-jun, YANG Bin-qiang

(Zhejiang Gongshang University,Hangzhou 310018,China)

To solve the precision actuate and self-power problems of the micro-robotics operating in an extreme environment, a novel ultrasonic motor with vibration energy harvesting function was proposed. The motor stator consisting of two groups of piezoelectric elements and a metal body is a conical sandwich structure. One piezoelectric element was used to convert the electric energy into mechanical vibration energy with the converse piezoelectric effect, the other piezoelectric element was used to harvest the stator vibration energy and convert it into electric energy with the piezoelectric effect. The structure of the motor and the polarization pattern of the piezoelectric elements were studied, and the electromechanical model of the ultrasonic motor stator was established with the finite element method. The vibration mode, resonant responding, input impedance and the energy harvesting performance were numerically studied. The results provide the theoretical guidance to develop the mechatronics device based on the piezoelectric principle.

vibration energy harvesting; ultrasonic motor; finite element method; structure design and analysis

2015-09-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277165)；浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY15F10001)；浙江省教育廳項(xiàng)目(Y201223050)；浙江工商大學(xué)青年人才計(jì)劃項(xiàng)目

TM359.9

A

1004-7018(2016)03-0007-04