王光慶， 徐文潭， 楊斌強(qiáng)， 陸國麗

(浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

能量回饋型超聲波電機(jī)定子振動(dòng)特性有限元分析與特性測試

王光慶， 徐文潭， 楊斌強(qiáng)， 陸國麗

(浙江工商大學(xué)信息與電子工程學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

提出一種集精密驅(qū)動(dòng)和振動(dòng)能量采集于一體的新型多功能壓電振動(dòng)電機(jī)——能量回饋型超聲波電機(jī)，設(shè)計(jì)了電機(jī)夾心式內(nèi)錐面壓電定子，建立了電機(jī)壓電定子的有限元模型，仿真分析定子振動(dòng)特性和能量采集輸出特性；研制電機(jī)原理樣機(jī)，并對電機(jī)進(jìn)行阻抗和能量采集特性測試與分析。研究結(jié)果為工作在極端封閉環(huán)境中的微型機(jī)器人系統(tǒng)提供一種集驅(qū)動(dòng)與供電一體化的機(jī)電器件。

超聲波電機(jī)； 振動(dòng)特性； 能量采集； 有限元方法； 特性測試

1 引言

超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)是利用壓電陶瓷在高頻高壓的交變激勵(lì)電壓作用下產(chǎn)生的微幅振動(dòng)，經(jīng)過金屬彈性體的放大后，通過摩擦驅(qū)動(dòng)與之相接觸的轉(zhuǎn)子(或動(dòng)子)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。由于超聲波電機(jī)定子振動(dòng)幅值一般比較小，通常只有微米級(jí)別，所以容易實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的精密驅(qū)動(dòng)和定位功能；此外，超聲波電機(jī)還具有低速大力矩、斷電自鎖和結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)點(diǎn)，它已廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機(jī)械、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

目前，超聲波電機(jī)研究主要集中在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[1-3]、數(shù)學(xué)模型[4-6]和驅(qū)動(dòng)控制[7,8]等問題，并取得了豐富的研究成果。但從功能來看，多數(shù)功能單一，主要用來對被控機(jī)構(gòu)提供驅(qū)動(dòng)力或力矩，這將嚴(yán)重影響超聲波電機(jī)在一些特殊環(huán)境中的應(yīng)用，例如，在一些極端、惡劣、封閉的工作環(huán)境(如封閉有毒氣體、液體儲(chǔ)存罐的檢測、高低溫等)中的微型機(jī)器人，其機(jī)械手關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)大多采用超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制實(shí)現(xiàn)。但這些機(jī)器人多數(shù)采用電化學(xué)電池供電，一旦電池能量源耗盡，微機(jī)器人也就失去工作能力。

為此，本文提出了一種集壓電驅(qū)動(dòng)與振動(dòng)能量采集于一體的新型多功能壓電振動(dòng)電機(jī)——能量回饋型超聲波電機(jī)，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的精密驅(qū)動(dòng)功能，利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)采集電機(jī)定子在運(yùn)行過程中的振動(dòng)能量，并轉(zhuǎn)換成電能，從而給微型機(jī)電系統(tǒng)提供電能，該電機(jī)突破了現(xiàn)有超聲波電機(jī)功能比較單一的局限。此外，從能量采集回收角度看，當(dāng)前主要的能量采集器結(jié)構(gòu)是基于壓電單晶或壓電雙晶的懸臂梁式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)主要用于采集電子器件工作環(huán)境中的低頻振動(dòng)能量。而能量回饋型超聲波電機(jī)主要采集壓電定子運(yùn)行過程中的超聲振動(dòng)能量，突破了傳統(tǒng)壓電振動(dòng)能量采集器主要采集環(huán)境中的低頻振動(dòng)能量的局限。

本文針對提出的能量回饋型超聲波電機(jī)，設(shè)計(jì)了電機(jī)夾心式內(nèi)錐面壓電定子，利用有限元方法建立了電機(jī)定子的有限元機(jī)電耦合分析模型，仿真分析了電機(jī)定子振動(dòng)特性和能量采集輸出特性，實(shí)驗(yàn)測試了電機(jī)定子阻抗特性和能量采集轉(zhuǎn)換特性。研究成果為能量回饋型超聲波電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，也為工作在極端封閉環(huán)境中的微型機(jī)器人系統(tǒng)提供了一種集驅(qū)動(dòng)與供電一體化的機(jī)電設(shè)備，具有重要研究意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[4，5]。

2 能量回饋型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)

本文提出的能量回饋型超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，電機(jī)結(jié)構(gòu)借鑒目前主流環(huán)形行波型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)，由夾心式內(nèi)錐面定子、錐面轉(zhuǎn)子、底座、端蓋和輸出軸構(gòu)成。電機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。夾心式內(nèi)錐面定子結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，其主要由激勵(lì)壓電陶瓷、采集壓電陶瓷、定子基體和定子齒四部分構(gòu)成，激勵(lì)壓電陶瓷和采集壓電陶瓷分別粘結(jié)在定子基體的底部和頂部外側(cè)，構(gòu)成夾心式壓電復(fù)合環(huán)狀結(jié)構(gòu)；在定子基體頂部內(nèi)側(cè)為內(nèi)錐面定子齒。激勵(lì)壓電陶瓷是利用逆壓電效應(yīng)將高頻高壓的交變激勵(lì)電壓轉(zhuǎn)換成定子的微幅振動(dòng)，并在定子內(nèi)部產(chǎn)生行波波形，因此，其極化分區(qū)模式采用典型行波型超聲波電機(jī)陶瓷的極化分區(qū)模式，激勵(lì)壓電陶瓷極化分區(qū)模式如圖1(c)所示。采集壓電陶瓷則是利用正壓電效應(yīng)將電機(jī)定子在穩(wěn)定運(yùn)行過程的振動(dòng)能量采集并轉(zhuǎn)換成電能，為了能最大化地采集定子振動(dòng)能量，將壓電陶瓷均勻分區(qū)成18個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)沿周向的大小恰好與激勵(lì)壓電陶瓷每個(gè)扇區(qū)的大小相同，相鄰兩扇區(qū)的極化方向相反，采集壓電陶瓷極化分區(qū)模式如圖1(d)所示。在粘結(jié)兩壓電陶瓷時(shí)，盡量保證激勵(lì)壓電陶瓷和采集壓電陶瓷的扇區(qū)在定子基體上要一一對應(yīng)，即激勵(lì)壓電陶瓷的“+”、“-”極化區(qū)分別與采集壓電陶瓷的“+”、“-”極化區(qū)關(guān)于定子基體對稱。

圖1 能量回饋型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematics of new motor

3 電機(jī)定子有限元模型

將圖1(b)所示的夾心式內(nèi)錐面定子劃分成90單齒，建立其六面體八節(jié)點(diǎn)有限元模型，如圖2所示。圖2所示的有限元實(shí)體模型中，基座、支撐、定子齒和定子基體采用8節(jié)點(diǎn)線性結(jié)構(gòu)Solid45單元類型建模；激勵(lì)壓電陶瓷和采集壓電陶瓷采用8節(jié)點(diǎn)6面體耦合場Solid5單元類型建模。壓電陶瓷與定子基體之間的膠黏層和壓電陶瓷表面電極由于厚度很小，采用Shell63單元類型建模。電機(jī)定子有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。圖3所示定子網(wǎng)格模型中，分別對激勵(lì)壓電陶瓷和采集壓電陶瓷中電極的各個(gè)面進(jìn)行節(jié)點(diǎn)耦合，耦合點(diǎn)設(shè)置為電壓自由度，與定子基體相連的壓電電極耦合成一個(gè)參考點(diǎn)，其參考電勢設(shè)置為零，即參考地。激勵(lì)壓電陶瓷A區(qū)電極的節(jié)點(diǎn)電壓自由度耦合為通用節(jié)點(diǎn)“V1”，B區(qū)電極的節(jié)點(diǎn)電壓自由度耦合為通用節(jié)點(diǎn)“V2”。采集壓電陶瓷分成18個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)壓電陶瓷電極的節(jié)點(diǎn)電壓自由度耦合為一個(gè)通用節(jié)點(diǎn)，分別用“V3”，“V4”，…，“V20”表示，如圖1(d)所示。

圖2 電機(jī)定子單齒有限元實(shí)體模型Fig.2 Finite element model of motor stator

圖3 電機(jī)定子有限元網(wǎng)格模型Fig.3 Grid model of motor stator

4 仿真分析

用于電機(jī)定子仿真分析的結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)如表1、表2和圖4所示。

4.1 定子振動(dòng)模態(tài)分析

給圖3所示的定子有限元模型內(nèi)圈(半徑為R3)表面加上位移約束，用Lanczos方法計(jì)算得到電機(jī)定子的振動(dòng)模態(tài)，如圖5所示。本文電機(jī)工作模態(tài)為B09模式，由圖5計(jì)算得到的定子振動(dòng)模態(tài)可以看出，定子B09模態(tài)的振動(dòng)頻率為39.72kHz，定子最大振幅發(fā)生在定子外圈，即采集壓電陶瓷所處位置，這有利于采集壓電陶瓷產(chǎn)生較大的變形，從而提高其振動(dòng)能量采集性能；另外，定子錐面的振動(dòng)幅值比較均勻，這有利于提高電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)度，減小噪聲。

表1 定子結(jié)構(gòu)尺寸

表2 定子材料參數(shù)

圖4 電機(jī)定子尺寸示意圖Fig.4 Sizes of motor stator

圖5 定子B09振動(dòng)模態(tài)Fig.5 B09 mode of motor stator

4.2 諧響應(yīng)特性分析

在通用節(jié)點(diǎn)“V1”與參考地以及通用節(jié)點(diǎn)“V2”與參考地之間分別施加幅值為Vm=100V正弦激勵(lì)電壓，對電機(jī)定子進(jìn)行諧響應(yīng)分析。Ansys分析計(jì)算中定子結(jié)構(gòu)阻尼采用Rayleigh 阻尼。

定子諧響應(yīng)分析計(jì)算中所取節(jié)點(diǎn)示意圖如圖6所示，其中節(jié)點(diǎn)“10”和“20”分別為激勵(lì)壓電陶瓷表面節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)“30”、“40”、“50”和“60”分別為定子齒頂部節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)“70”和“80”分別為定子齒錐面節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)“90”、“91”、“92”、“93”、“94”和“95”分別為激勵(lì)壓電陶瓷底面節(jié)點(diǎn)。

圖6 定子節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.6 Nodes distribution of motor stator

依次從采集壓電陶瓷表面外圈至定子錐面底部的定子節(jié)點(diǎn)“10”，“20”，…，“80”的x向振動(dòng)位移幅值和相位響應(yīng)仿真曲線如圖7所示，對應(yīng)節(jié)點(diǎn)y向振動(dòng)位移幅值和相位響應(yīng)仿真曲線如圖8所示，對應(yīng)節(jié)點(diǎn)z向振動(dòng)位移幅值和相位響應(yīng)仿真曲線如圖9所示。從圖7至圖9的振動(dòng)位移幅值響應(yīng)結(jié)果看，定子表面節(jié)點(diǎn)的z向振動(dòng)位移最大產(chǎn)生在定子外圈，即圖9(a)中所示的激勵(lì)壓電陶瓷表面節(jié)點(diǎn)“10”處，振動(dòng)幅值達(dá)到2.3μm；沿著定子半徑遞減方向(從定子外圈到內(nèi)圈)，定子表面節(jié)點(diǎn)的z向振動(dòng)位移幅值逐漸減小，在錐面節(jié)點(diǎn)“80”處達(dá)到最小值1μm，但節(jié)點(diǎn)“30”、“40”、“50”和“60”的z向振動(dòng)位移幅值減小梯度比較緩和；從圖9(b)的相位曲線看，定子表面節(jié)點(diǎn)z向振動(dòng)位移在諧振頻率38.4kHz前是完全一致的。定子表面節(jié)點(diǎn)的x向和y向振動(dòng)位移幅值最大值均產(chǎn)生在定子齒頂表面節(jié)點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)“30”，“40”，“50”和“60”，并且沿著定子徑向方向，齒頂表面節(jié)點(diǎn)在這兩個(gè)方向的振動(dòng)位移幅值幾乎保持恒定，分別達(dá)到0.42μm和1.75μm。定子錐面節(jié)點(diǎn)“70”和“80”處，x向和y向振動(dòng)位移幅值較小，但是沿定子徑向方向的變化梯度卻較大，不利于電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，定子表面節(jié)點(diǎn)x向振動(dòng)位移的相位在諧振頻率38.4kHz以前與y向和z向的振動(dòng)相位相反?？傊ㄗ庸?jié)點(diǎn)“10”和“20”的z向振動(dòng)位移幅值大可以提高采集壓電陶瓷的振動(dòng)變形，從而提高其能量采集和轉(zhuǎn)換能力；而節(jié)點(diǎn)“30”、“40”、“50”和“60”在x向和y向的振動(dòng)幅值保持恒定，在z向的振動(dòng)幅值減小梯度比較緩和，有利于提高電機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，減小電機(jī)運(yùn)行噪聲。

圖7 定子表面節(jié)點(diǎn)x向振動(dòng)位移幅值響應(yīng)和相位響應(yīng)曲線Fig.7 x-direction displacements of stator nodes amplitude response and phase response curves

圖8 定子表面節(jié)點(diǎn)y向振動(dòng)位移幅值響應(yīng)和相位響應(yīng)曲線Fig.8 y-direction displacements of stator nodes amplitude response and phase response curves

圖9 定子表面節(jié)點(diǎn)z向振動(dòng)位移幅值響應(yīng)和相位響應(yīng)曲線Fig.9 z-direction displacements of stator nodes amplitude response and phase response curves

定子采集壓電陶瓷輸出電壓幅值和相位響應(yīng)曲線如圖10所示，為節(jié)省空間，本文從采集壓電陶瓷的18個(gè)扇區(qū)取相鄰5個(gè)扇區(qū)進(jìn)行研究，其電壓耦合節(jié)點(diǎn)分別為“V3”、“V4”、“V18”、“V19”和“V20”，這5個(gè)扇區(qū)兩兩相鄰，且壓電陶瓷極化方向相反(如圖1(d)中“+”、“-”所示)。由圖10(a)可知，5個(gè)壓電陶瓷扇區(qū)的采集輸出電壓幅值大小基本一致，在定子諧振頻率38.4kHz時(shí)達(dá)到最大。此外，由于“V3”和“V4”兩扇區(qū)壓電陶瓷極化方向相反，兩者采集輸出電壓的相位在諧振頻率38.4kHz以前剛好相差180°。同理，“V18”和“V19”、“V19”和“V20”以及“V20”和“V3”所表示的壓電陶瓷扇區(qū)極化方向相反，相位響應(yīng)曲線也相差180°的，這與圖1所示的定子陶瓷極化分區(qū)模式是相吻合的，同時(shí)也驗(yàn)證了能量回饋型超聲波電機(jī)定子具有行波驅(qū)動(dòng)和振動(dòng)能量采集功能的有效性和可行性。

圖10 采集電壓幅值響應(yīng)和相位響應(yīng)曲線Fig.10 Harvesting voltage amplitude response and phase s curves

4.3 瞬態(tài)特性分析

分別給激勵(lì)壓電陶瓷A區(qū)的電壓耦合節(jié)點(diǎn)“V1”和B區(qū)的電壓耦合節(jié)點(diǎn)“V2”施加相位差為90°的正弦信號(hào)，如下所示：

VA=100sin(2πft)

(1)

VB=100sin(2πft+π/2)

(2)

式中，f=38.4kHz，且將VA和VB每個(gè)周期離散成20個(gè)子步，電機(jī)定子結(jié)構(gòu)阻尼設(shè)置為0.05。經(jīng)有限元計(jì)算得到定子齒面各節(jié)點(diǎn)振動(dòng)位移和激勵(lì)壓電陶瓷采集輸出電壓的瞬態(tài)響應(yīng)特性曲線。

定子采集壓電陶瓷片表面中心位置節(jié)點(diǎn)在x向、y向和z向的振動(dòng)位移曲線如圖11所示，由圖11可知，采集壓電陶瓷的振動(dòng)主要以z向的振動(dòng)為主，振動(dòng)位移幅值達(dá)到1.75μm，其他兩個(gè)方向上的振動(dòng)比較小，大的軸向振動(dòng)有利于提高采集壓電陶瓷的彎曲振動(dòng)應(yīng)變，從而提高其能量采集和轉(zhuǎn)換的能力?？紤]到各扇區(qū)采集輸出電壓基本一致，本文僅給出V3扇區(qū)的采集壓電陶瓷輸出電壓曲線如圖12所示。由圖12可知，采集壓電陶瓷每個(gè)扇區(qū)采集輸出的電壓達(dá)到52V。

圖11 節(jié)點(diǎn)20振動(dòng)位移Fig.11 Displacement of Node No.20

圖12 采集輸出電壓曲線Fig.12 Harvesting voltage curve

定子齒表面質(zhì)點(diǎn)在x向、y向和z向的振動(dòng)位移曲線如圖13所示，由圖13可知，齒表面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)主要以y向和z向?yàn)橹?，這有利于提高電機(jī)的機(jī)械輸出特性。z向振動(dòng)使定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生一定的壓緊力，定子和轉(zhuǎn)子緊密接觸形成一個(gè)粘彈性接觸區(qū)；y向振動(dòng)則使接觸區(qū)內(nèi)的定、轉(zhuǎn)子接觸質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生相對滑動(dòng)，通過摩擦力推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行。從圖13可以看出定子齒表面質(zhì)點(diǎn)在y向和z向的最大振動(dòng)位移幅值分別為1.06μm和1.27μm。

圖13 定子齒表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移曲線Fig.13 Displacement of top teeth of stator

定子錐面質(zhì)點(diǎn)在x、y和z三個(gè)方向上的振動(dòng)位移曲線如圖14所示，由圖7和圖14可知，錐面質(zhì)點(diǎn)x向的振動(dòng)位移與z向的振動(dòng)位移是反向的，且兩者的合成位移為：

(3)

(4)

式中，Ux和Uz分別為定子錐面質(zhì)點(diǎn)x和z的振動(dòng)位移幅值，θ為合成位移與x方向的夾角。若采用錐面驅(qū)動(dòng)方式，為了提高錐面的力傳遞效率，錐面必須與合成位移U振動(dòng)方向垂直。

提取定子齒頂質(zhì)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)時(shí)x、y和z方向的振動(dòng)位移，可以得到質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，如圖15所示。從15圖可以看出，定子質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)主要在y和z方向，x方向的振動(dòng)比較微弱，這與圖7、圖8和圖9所示的諧響應(yīng)特性是一致的，這有利于提高電機(jī)定、轉(zhuǎn)子摩擦接觸面間的力傳遞特性，減小定、轉(zhuǎn)子接觸面間的徑向滑動(dòng)摩擦磨損，從而提高電機(jī)的機(jī)械輸出性能和能量傳遞效率。

圖14 定子錐表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移曲線Fig.14 Displacement of cone node of stator

圖15 定子齒質(zhì)點(diǎn)橢圓軌跡Fig.15 Elliptic orbit of the stator teeth

由圖11～15可知，電機(jī)定子振動(dòng)在1.5ms時(shí)就進(jìn)入了穩(wěn)定振動(dòng)狀態(tài)，說明電機(jī)具有較快的響應(yīng)特性。同時(shí)，也驗(yàn)證了能量回饋型超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)構(gòu)想是正確可行。

5 樣機(jī)及特性測試

根據(jù)有限元設(shè)計(jì)和分析得到的電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸，制作加工了能量回饋型超聲波電機(jī)原理樣機(jī)，如圖16所示。利用阻抗分析儀對樣機(jī)進(jìn)行阻抗特性測試(預(yù)壓力F=0時(shí))，電機(jī)阻抗實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖17所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出樣機(jī)的諧振頻率為37.6kHz，與有限元結(jié)果38.6kHz誤差1kHz，這主要是樣機(jī)制作過程中零件尺寸加工誤差所致?？紤]預(yù)壓力的影響，電機(jī)諧振頻率增大到38.5kHz，與有限元結(jié)構(gòu)基本一致。單個(gè)采集壓電陶瓷扇區(qū)的能量采集輸出功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18所示，由圖18可知，在最佳匹配阻抗條件下，采集壓電陶瓷的輸出功率達(dá)到最大0.44W。能量回饋型超聲波電機(jī)與傳統(tǒng)行波型超聲波電機(jī)能量組成實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果見表3，實(shí)驗(yàn)比較是兩電機(jī)在相同的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)頻率激勵(lì)作用下進(jìn)行的，表3中有用輸出功率是指電機(jī)轉(zhuǎn)子輸出功率。由表3的實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果可以看出，能量回饋型超聲波電機(jī)的能量使用效率大大提高了。傳統(tǒng)行波型超聲波電機(jī)輸入能量中除了小部分(4.5W)被傳遞到轉(zhuǎn)子作為有用輸出功率外，大部分都被損耗掉了，其能量使用效率僅為20%。而能量回饋型超聲波電機(jī)中除了有用輸出功率4.5W外，通過采集壓電陶瓷轉(zhuǎn)換輸出的有用功率達(dá)到了7.92W，使得電機(jī)的能量使用效率提高到54.7%。

圖16 能量回饋型超聲波電機(jī)原理樣機(jī)Fig.16 Prototype of new motor

圖17 電機(jī)阻抗實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.17 Experimental impedance results of motor

圖18 單個(gè)扇區(qū)采集輸出功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.18 Harvesting power experimental result of a sector

參 數(shù)數(shù) 值傳統(tǒng)行波型電機(jī)規(guī)格Φ60能量回饋型電機(jī)規(guī)格Φ60輸入功率/W22.522.5有用輸出功率/W4.54.4采集回收功率/W—7.92*損耗功率/W1810.18能量使用效率(%)2054.7

注：*表示每個(gè)采集壓電陶瓷扇區(qū)在最佳匹配阻抗前提下，18個(gè)采集壓電陶瓷扇區(qū)并聯(lián)得到的采集輸出功率實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

6 結(jié)論

本文提出了一種新型多功能壓電振動(dòng)電機(jī)——能量回饋型新型超聲波電機(jī)，通過對電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、有限元分析及其特性測試，得到以下結(jié)論：

(1)設(shè)計(jì)的能量回饋型超聲波電機(jī)的工作頻率為38.6kHz，其能量使用效率達(dá)到54.7%。

(2)采用內(nèi)錐面夾心式壓電定子結(jié)構(gòu)可以使齒定面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)位移的均勻得到改善，提高電機(jī)輸出性能的穩(wěn)定性。

(3)采集壓電陶瓷粘結(jié)于壓電定子上表面外圈，有利于提高電機(jī)振動(dòng)能量采集器輸出電壓。

(4)采用內(nèi)錐面驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí)，定轉(zhuǎn)子接觸面需與錐面質(zhì)點(diǎn)軸向和徑向振動(dòng)位移的合成位移方向垂直。

研究結(jié)果表明能量回饋型超聲波電機(jī)的構(gòu)思是可行的，有助于為極端環(huán)境中工作的微機(jī)電系統(tǒng)提供了一種集驅(qū)動(dòng)與供電的新方法。

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FEM analysis of vibration performance and impedance test of stator of energy harvesting type ultrasonic motor

WANG Guang-qing, XU Wen-tan, YANG Bin-qiang, LU Guo-li

(School of Information and Electronic Engineering, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou 310018, China)

A new type piezoelectric vibration motor named energy harvesting type ultrasonic motor was proposed in this article. The mator has the functions of precision actuating and vibration energy harvesting. A sandwich structure stator with an inner cone was designed, and the finite element model of the stator was established. Some simulations were carried out to analyze the vibration performance and the energy harvesting performance, respectively. The results are auned to provide an electromechanical device to power the micro robots which are operating in an extremely environment.

ultrasonic motor; vibration performance; energy harvesting; finite element method; characteristics test

2016-03-15

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277165)、浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LF15Y010001)

王光慶(1975-), 男, 江西籍, 教授， 博士, 研究方向?yàn)槌暡姍C(jī)和壓電振動(dòng)能量采集技術(shù)等； 徐文潭(1994-), 男, 江蘇籍, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槌暡姍C(jī)設(shè)計(jì)及其控制。

TM356

A

1003-3076(2017)06-0047-07