郎夢夢,曾勁松 ,張西平
(鄭州大學,鄭州 450001)
超聲波電動機(USM)是一種全新概念的直接驅(qū)動裝置,屬于新型微特電機中較為成熟的一種。不同于傳統(tǒng)的電磁原理電機,超聲波電動機是利用轉(zhuǎn)子與定子之間的摩擦耦合驅(qū)動而形成的一類電機。超聲波電動機依據(jù)波的傳播方式可以分為行波型超聲波電動機和駐波型超聲波電動機。旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電動機是行波超聲波電動機中最具代表的一種,它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),將電能轉(zhuǎn)換成機械能,從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動[1]。該電機具有低速大轉(zhuǎn)矩、無電磁干擾、結(jié)構(gòu)緊湊、運行無噪聲、動作響應(yīng)快、斷電自鎖等顯著特征,具有傳統(tǒng)電磁式電機難以替代的作用,在精密驅(qū)動領(lǐng)域顯示了廣闊的應(yīng)用前景[2,3]。
超聲波電動機作為高度精密的機電產(chǎn)品,其輸出性能很大程度上依賴于加工精度。然而現(xiàn)有的定子在材料方面,大都采用銅材料;在結(jié)構(gòu)工藝方面,定子齒采用在平面上銑削開槽方式形成,由于定子齒與齒之間間距小,屬于窄槽加工,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,使得加工難度大,加工成本高,精度低。加工精度影響加工尺寸,從而影響電機的機械性能。本文對現(xiàn)有的一種旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電動機定子進行研究,此定子相對于傳統(tǒng)超聲波電動機有較大的改進:材料方面,采用鋼;結(jié)構(gòu)方面,采用矩形發(fā)射齒形狀和沖壓加工工藝,具有結(jié)構(gòu)簡單,高精度加工容易控制,驅(qū)動力矩大,成本低等特點。因此,研究新型超聲波電動機定子的結(jié)構(gòu)對于設(shè)計開發(fā)有重要的借鑒意義。
本文的電機采用面外振動模式,運用直接激勵的方式使定子形成行波,在壓電陶瓷組件上施加相位差為π/2的2個同頻(超聲頻段)且等幅的A相電壓與B相電壓。利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng),可在定子的模態(tài)頻率上激發(fā)出2個幅值相等、在時間和空間上均相差π/2的A相駐波與B相駐波。這兩相駐波在定子上疊加形成向前進的行波,在定子驅(qū)動端各質(zhì)點的作用下,通過摩擦驅(qū)動轉(zhuǎn)子向行波行進方向的反方向轉(zhuǎn)動。
A相電壓與B相電壓在壓電陶瓷片上激勵的模態(tài)陣型可以表示:
ZA=IAsin(nθ)cos(wnt)
(1)
ZB=IBcos(nθ)cos(wnt+φ)
(2)
式中:IA,IB為兩相激勵響應(yīng)的幅值;φ為兩相響應(yīng)的相位差。
依據(jù)模態(tài)陣型線性疊加原理,定子的位移響應(yīng):
當φ=π/2,IA=IB=I0時,得到行波:
Z=I0sin(nθ-ωnt)
(4)
因此,在壓電陶瓷片組件上施加相位差為π/2的2個同頻率、等幅值的交變電壓,就可以產(chǎn)生行波。圖1為行波形成示意圖。
圖1 行波形成示意圖
超聲波電動機定子結(jié)構(gòu)如圖2所示,由內(nèi)支撐板、齒結(jié)構(gòu)、基體、壓電陶瓷4部分組成。定子齒中間為環(huán)形,周向為矩形齒,多條矩形齒沿環(huán)形圓周邊緣延伸的方式呈均勻輻射狀分布。齒周向上翹起作為與動子接觸部分,齒周上翹增加了定子質(zhì)點的軸向位移,從而增大了電機的輸出轉(zhuǎn)矩。齒與齒之間開槽提高轉(zhuǎn)子的驅(qū)動效果[4]。定子齒下表面粘接與之外徑相同的鋼制環(huán)狀基體,便于壓電陶瓷的粘接,壓電陶瓷片粘接在基體下表面。
圖2 定子結(jié)構(gòu)圖
在定子結(jié)構(gòu)中,每個齒占據(jù)齒高H,定子齒內(nèi)圓周距孔周距離L,齒與齒之間開槽角度S,以及彈性基體厚度W,是影響定子機械性能的主要參數(shù),因此研究這些參數(shù)對了解電機的機械性能具有重要的意義。其中定子齒直徑D=60 mm,每個齒占據(jù)圓周3.6°,壓電陶瓷厚度0.5 mm為定值。圖3標注了重要的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。
圖3 定子結(jié)構(gòu)參數(shù)圖
旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電動機具有十分典型的運動機理,它深刻揭示了駐波和行波之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系以及能量轉(zhuǎn)換與傳遞過程,并且其動力學模型對探究如何提高電機的多項性能指標有重要的實際意義。通過對超聲波電動機進行實體建模以及動力學分析,可以明確超聲波電動機的輸出特性,評價其性能的優(yōu)劣,探究各種因素對電機運轉(zhuǎn)性能的影響程度。
通過ANSYS有限元分析軟件進行建模,對定子進行模態(tài)分析,可模擬超聲波電動機定子的實際振動,從而獲得定量化的分析結(jié)果[5]。因電機環(huán)形的寬度相對于電機直徑較小,所以通常用無節(jié)圓的B0n模式[6]。此定子選用B09工作模態(tài),分析不同結(jié)構(gòu)尺寸對模態(tài)頻率的影響。
諧響應(yīng)分析是用于分析持續(xù)周期變化的載荷在線性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)周期響應(yīng)。對定子進行諧響應(yīng)分析,可以確定定子振動模態(tài)在相應(yīng)振動頻率范圍內(nèi)所產(chǎn)生的最大振幅,定子振幅越大,定子行波表面質(zhì)點的切向速度越大,從而使轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速變大,以此來提高電機的輸出性能[7]。對不同齒高定子進行諧響應(yīng)分析,為了便于提取定子波峰處振幅,施加峰峰值為160 V的單向正弦電壓。因定子周向Y與軸向Z的位移構(gòu)成了定子質(zhì)點的橢球運動,所以需提取定子齒上相同徑向距離質(zhì)點的周向Y和軸向Z位移。
初始設(shè)定定子直徑D=60 mm,L=12 mm,W=1.5 mm,S=3.6°,通過改變齒高H,得到的結(jié)果表1所示。
表1 改變齒高H分析結(jié)果
由表1可知,隨著齒高由1mm增加到2mm,定子振動模態(tài)頻率整體呈降低趨勢,定子軸向和周向位移整體呈增加趨勢。在齒高由1.6mm增加到1.8mm時,定子周向線速度有一個跳躍性的增加,且定子周向線速度與齒高成正比,所以齒高增加可以提高電機的空載轉(zhuǎn)速。
設(shè)定定子直徑D=60mm,L=12mm,W=1.5mm,H=1.4mm,通過改變定子齒與齒之間開槽角度S,即改變齒數(shù),對定子進行模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析,結(jié)果如表2所示。
表2 改變開槽角度S分析結(jié)果
由表2可知,隨著齒與齒之間開槽角度S的增加,即齒數(shù)的減少,定子模態(tài)頻率呈增加趨勢,周向位移與軸向位移逐漸增加,周向線速度逐漸增加。但是隨著齒數(shù)的減少,定子與轉(zhuǎn)子的接觸部位減少,這將不利于電機的穩(wěn)定運轉(zhuǎn),所以在設(shè)計定子的齒數(shù)時,應(yīng)該綜合考慮各方面的影響。
設(shè)定定子直徑D=60mm,H=1.4mm,W=1.5mm,S=3.6°,改變定子齒內(nèi)圓周距孔周距離L,對定子進行模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析,結(jié)果如表3所示。
表3 改變距離L分析結(jié)果
由表3可知,隨著距離L的減小,定子模態(tài)頻率逐漸降低,周向位移、軸向位移以及周向線速度整體呈降低趨勢。
設(shè)定定子直徑D=60 mm,H=1.4 mm,S=3.6°,L=12 mm,改變彈性基體厚度W,對定子進行模態(tài)分析與諧響應(yīng)分析,結(jié)果如表4所示。
表4 改變基體厚度W分析結(jié)果
由表4可知,彈性基體對模態(tài)頻率有較大的影響,隨著基體厚度的增加,相同模態(tài)的頻率值增加顯著。這是由于隨著基體厚度的增加,定子的剛度增大,所以相同模態(tài)對應(yīng)的頻率顯著提高。隨著彈性基體厚度的增加,軸向與周向位移呈下降趨勢,周向線速度呈上升趨勢。
設(shè)定定子直徑D=60 mm,齒高H=1.4 mm,齒數(shù)為50,即齒之間開槽角度S=3.6°,定子齒內(nèi)圓周距孔周距離L=12 mm,基體厚度W=1.5 mm時,對定子進行性能分析。
圖4 整體能量圖
圖5 局部能量圖
圖4、圖5為定子B09振型時的能量圖。由圖4、圖5可知,能量集中在與轉(zhuǎn)子直接接觸的齒周上,中間部分能量幾乎為零,這種結(jié)構(gòu)設(shè)計使得能量充分利用,不造成能量的浪費。
位移振型圖如圖6所示。定子齒周位移最大,中間部分位移較小,這種設(shè)計提高了與轉(zhuǎn)子接觸部分定子的周向位移和軸向位移,提高了振動幅度,從而提高電機旋轉(zhuǎn)速度,也再次驗證了定子設(shè)計的優(yōu)越性。
(a)A相振型
(b)B相振型
因電機存在材料均勻性誤差、實際加工誤差、安裝配合誤差等,導(dǎo)致有限元分析軟件的理論分析結(jié)果與實際測試結(jié)果存在偏差。為了更好實現(xiàn)對電機的控制,采用實驗對樣機機械性能進行分析必不可少。
本文分別對新型超聲波電動機樣機和傳統(tǒng)超聲波電動機施加峰峰值為400 V的電壓,頻率為B09振動頻率,預(yù)壓力為120 N,進行實驗,結(jié)果如圖7所示。
圖7 負載特性圖
實驗表明,新型旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電動機相對于傳統(tǒng)USM在整體機械性能方面有較大提升,與有限元分析結(jié)果一致。
定子的振動特性對于超聲波電動機的輸出性能至關(guān)重要,通過有限元分析軟件對現(xiàn)有的一種新型超聲波電動機進行結(jié)構(gòu)分析,通過改變結(jié)構(gòu)的尺寸,研究不同定子尺寸對電機動態(tài)特性的影響,包括對模態(tài)頻率結(jié)果與諧響應(yīng)結(jié)果的影響。最后對于確定尺寸的定子進行整體性能分析,通過提取能量分布圖與位移振型圖,驗證該定子設(shè)計的合理性與優(yōu)越性,對于今后設(shè)計新型超聲波電動機具有借鑒意義。
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