胡百振，張建坤，項(xiàng)家駿，譚 坤 ，逄浩君

(上海航天控制技術(shù)研究所，上海201109)

0 引 言

隨著導(dǎo)彈、飛機(jī)、運(yùn)載火箭、人造衛(wèi)星等航天航空技術(shù)的發(fā)展，需要一種結(jié)構(gòu)簡單、重量輕和沒有電磁干擾等要求的一種電機(jī)，超聲波電動(dòng)機(jī)就是其中一種。該電機(jī)有以下特點(diǎn):結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、輸出力矩大、速度低，能夠快速響應(yīng)和定位［1－2］。超聲波電動(dòng)機(jī)的分類有多種，從電機(jī)的振動(dòng)模態(tài)和模態(tài)組合形式，超聲波電動(dòng)機(jī)可以分為復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)［3］、駐波型超聲波電動(dòng)機(jī)［4］、行波型超聲波電動(dòng)機(jī)［5］?？v彎復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、模態(tài)組合方案豐富等優(yōu)點(diǎn)，所以有許多學(xué)者開始研究縱彎超聲波電動(dòng)機(jī)。陜西師范大學(xué)的李小平提出了一種縱彎復(fù)合模式多自由度超聲波電動(dòng)機(jī)［6］;哈爾濱工業(yè)大學(xué)的石勝君于提出了一種大推力縱彎復(fù)合直線超聲波電動(dòng)機(jī)［7］;陳維山等人提出了一種縱彎復(fù)合平面超聲波電動(dòng)機(jī)［8］。以上縱彎超聲波電動(dòng)機(jī)換能器分別有縱振陶瓷片和彎振陶瓷片組成，故需兩路不同的電路來激勵(lì)出兩種不同的振型，進(jìn)而必須對(duì)兩路電路分別進(jìn)行設(shè)計(jì)匹配，這樣就會(huì)給驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)帶來麻煩，并且電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

針對(duì)原有的縱彎超聲波電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)，本文介紹一種新型縱彎復(fù)合型超聲波電動(dòng)機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)簡單、匹配電路簡單、輸出力矩大等優(yōu)點(diǎn)，介紹了電機(jī)的結(jié)構(gòu)并對(duì)其運(yùn)行原理進(jìn)行分析，采用ANSYS進(jìn)行模態(tài)簡并和瞬態(tài)分析，最后制作樣機(jī)并測定其輸出特性。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

圖1為縱彎超聲波電動(dòng)機(jī)的二維示意圖。該電機(jī)是由支撐座、支架1、支架2、罩殼、動(dòng)子轉(zhuǎn)接環(huán)、軸承、預(yù)壓力調(diào)節(jié)螺母、力矩輸出軸、換能器組件等組成。換能器組件包括4個(gè)縱彎超聲換能器，4個(gè)縱彎換能器均勻固定在電機(jī)殼體上，縱彎換能器由兩個(gè)指數(shù)變幅桿，振動(dòng)陶瓷片，支撐板等構(gòu)成，換能器結(jié)構(gòu)如圖2所示［9］。該電機(jī)的預(yù)緊力通過預(yù)壓力矩形彈簧來調(diào)整，電機(jī)的換能器通過氧化鋁陶瓷轉(zhuǎn)遞給轉(zhuǎn)子，從而輸出機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

圖1 超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

圖2 換能器結(jié)構(gòu)示意圖

2 電機(jī)的運(yùn)行原理

本文設(shè)計(jì)的縱彎超聲波電動(dòng)機(jī)由4個(gè)縱彎超聲換能器組成。該電機(jī)的運(yùn)行原理:4個(gè)換能器設(shè)計(jì)為兩組不同的驅(qū)動(dòng)電路，相對(duì)著的2個(gè)縱彎超聲換能器為一組驅(qū)動(dòng)電路，運(yùn)用振動(dòng)陶瓷片的微小振動(dòng)耦合成換能器的縱向和彎曲振動(dòng)，通過改變輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超聲換能器驅(qū)動(dòng)足表面的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓運(yùn)動(dòng)，通過預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)足和動(dòng)子之間的接觸摩擦，從而把換能器的微小運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為動(dòng)子的運(yùn)動(dòng)輸出。通過變換輸入信號(hào)的相位差值，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)動(dòng)子反轉(zhuǎn)和改變橢圓軌跡的形狀，有效改善驅(qū)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)振幅，增加接觸時(shí)間。圖3為電機(jī)縱彎換能器運(yùn)動(dòng)的振型圖。

圖3 一個(gè)周期換能器振型

3 電機(jī)設(shè)計(jì)與分析

3． 1換能器的模態(tài)簡并

縱彎超聲波電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵就是換能器的模態(tài)簡并，模態(tài)簡并主要實(shí)現(xiàn)在一個(gè)頻率下的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。本文將應(yīng)用ANSYS對(duì)換能器有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，在20 kHz以上頻率范圍找到所需要的縱振和彎振振型，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)頻率下只存在縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。通過調(diào)整對(duì)頻率影響比較大的結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)換能器縱彎模態(tài)的簡并。圖4分別是換能器的彎振模態(tài)和縱振模態(tài)，縱彎特征頻率都在30．6 kHz左右。

圖4 換能器振型

3． 2換能器的瞬態(tài)分析

本文采用ANSYS對(duì)換能器模型進(jìn)行瞬態(tài)分析，研究超聲換能器的運(yùn)動(dòng)軌跡。給超聲換能器上施加兩相交流電壓，該電壓的頻率為30．7 kHz，相位差1/4周期，電壓有效值為240 V。利用ANSYS的時(shí)間歷程后處理(POST26)得到換能器驅(qū)動(dòng)足表面質(zhì)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)26564)在30個(gè)周期內(nèi)的位移－時(shí)間變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在t=0時(shí)刻，X和Z方向的位移都為零，沒有位移突變的產(chǎn)生，隨著外界激振的進(jìn)行，X和Z方向的位移呈周期性變大的趨勢，當(dāng)t=0．95 ms時(shí)，X和Z方向的位移均達(dá)到最大值，換能器的振動(dòng)達(dá)到平衡，電機(jī)正常工作。利用有限元軟件ANSYS得到觀察點(diǎn)在Z－X平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖6所示。由圖6可以看出，換能器質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡說明振子在激振開始時(shí)軌跡為不完整的橢圓，隨著外界激振的進(jìn)行，換能器質(zhì)點(diǎn)在Z和X方向的位移同時(shí)達(dá)到最大值，換能器質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)形成完整的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。此時(shí)換能器達(dá)到平衡，超聲波電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖5 換能器質(zhì)點(diǎn)的位移－時(shí)間變化曲線

圖6 換能器質(zhì)點(diǎn)在Z－X平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡

4 電機(jī)實(shí)驗(yàn)測試

根據(jù)以上分析得到的電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，制作出換能器和電機(jī)的原理樣機(jī)，換能器和電機(jī)原理樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別如圖7所示。下面通過實(shí)驗(yàn)來測試電機(jī)的機(jī)械輸出特性。

圖7 超聲波電動(dòng)機(jī)及實(shí)現(xiàn)平臺(tái)

為了研究電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電壓變化而變化的規(guī)律，給電機(jī)施加頻率和相位差恒定的交流電，電機(jī)的預(yù)緊力為370 N，測試電機(jī)在不同電壓有效值下電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，如圖8所示。電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速隨著電壓有效值而增加，當(dāng)電機(jī)激勵(lì)電壓值為375 V，其空載轉(zhuǎn)速為48 r/min。

為了研究電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電機(jī)預(yù)緊力變化的規(guī)律，給電機(jī)施加頻率、電壓有效值和相位差恒定的交流電，測試電機(jī)在不同預(yù)緊力下電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，如圖9所示。由圖9可知，電機(jī)的預(yù)緊力越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速越小。電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到96 r/min，電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩可以達(dá)到3．8 N·m。

圖8 電機(jī)轉(zhuǎn)速隨電壓變化的關(guān)系

圖9 不同預(yù)緊力下電機(jī)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速

5 結(jié) 語

本文研制了一種縱彎超聲波電動(dòng)機(jī)，介紹了電機(jī)的結(jié)構(gòu)并且對(duì)其運(yùn)行原理進(jìn)行了分析，該電機(jī)由4個(gè)超聲換能器組成。應(yīng)用有限元法對(duì)換能器進(jìn)行有限元分析，完成了換能器縱彎模態(tài)匹和瞬態(tài)分析，通過瞬態(tài)分析得出電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行了機(jī)械輸出特性測試，得到電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速可以達(dá)到96 r/min，轉(zhuǎn)矩可達(dá)到3．8 N·m。

［1］ 趙淳生．超聲波電動(dòng)機(jī)技術(shù)與應(yīng)用［M］．北京:科學(xué)出版社，2007:1－10．

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