白永明,金家楣
(1.無錫工藝職業(yè)技術學院,宜興 214206;2.南京航空航天大學,南京 210016)
壓電電機(因其工作于超聲頻率,一般也稱為超聲波電動機)是一種利用壓電材料(壓電陶瓷)的逆壓電特性,激發(fā)電機振子(也稱定子)的超聲共振,并通過振子和動子間的摩擦力來驅動動子運動,是一種將電能轉換為機械能輸出的機電裝置。與傳統(tǒng)微電機相比,在小功率情況下,它具有低速大轉矩、響應速度快、不受磁場干擾、保持力矩大、斷電自鎖、直接驅動、結構相對簡單(無線圈)和相對質量輕等優(yōu)點。
20世紀40年代,美國學者Williams A和Brown W申請第一個超聲波電動機的專利,至現在,美國、日本、德國、以色列等科技發(fā)達國家,壓電電機技術及產品已實現產業(yè)化,產品在微/納米定位、精微光刻/對接、細胞操作、電子隧道掃描、單反鏡頭對焦系統(tǒng)、機器人、航空航天驅動裝置等眾多要求精密控制及對工作環(huán)境要求嚴格的特殊領域獲得了較大的實際應用[1]。我國由南京航空航天大學趙淳生院士團隊自主研發(fā)的TRUM-30A型號超聲波電動機,在2013年首次成功應用于中國探月工程嫦娥三號“玉兔號”月球車[2]。鑒于壓電電機在特殊領域(醫(yī)療、航空航天、精密定位)的應用前景,借鑒國內外相關直線壓電電機研究成果[3-8],本文開展基于夾心式壓電換能器[9]的直線壓電電機研究。
壓電電機工作時的振動模態(tài)有縱振、彎振和扭振?;趬弘娞沾傻膁33的工作模式,三種振動模態(tài)中,縱振最容易實現,具有高效、高振幅和高振速的優(yōu)點。因此,本文采用縱振模態(tài)設計直線壓電電機的工作模態(tài)。
電機振子結構如圖1所示,由3個夾心式壓電換能器組成,其中橫向2個,縱向1個,縱橫向垂直連接。橫向的2個換能器結構一致,對稱布置,陶瓷組安裝極向相反,以產生反對稱振動,增加橫向振幅。橫向、縱向換能器的振動相位差為90°,以產生橢圓運動。
圖1 振子結構示意圖
設計中采用夾心式壓電換能器(類蘭杰文振子)的結構形式,通過變幅桿將驅動端振幅放大,是一種高強度壓電換能器,如圖2所示,采用PZT8壓電陶瓷激發(fā)振子的一階縱振。
圖2 高強度夾心換能器結構圖
壓電陶瓷片采用圓環(huán)形結構,變幅桿采用圓錐形結構,其他部分是圓柱結構。陶瓷片的外徑確定后,換能器的直徑也就確定了,通過設計和調節(jié)換能器其他各部分的長度,來確定振子的工作頻率和橫、縱向諧振頻率一致,可以借助ANSYS軟件仿真實現。
如圖3所示的正交連接的振子,X,Y方向分別為振子的橫、縱向。連接處橢圓運動形成[10-11]分析如下。
圖3 正交連接形式的振子
dX(t)=DXsin(ωt+α)
(1)
dY(t)=DYsin(ωt+β)
(2)
式中:dX(t),dY(t)為X,Y方向振動方程;α,β為X,Y方向振動的初始相位;DX,DY為X,Y方向振動的振幅。
(3)
由式(3)可知,當X,Y方向振動相位差為90°時,連接處就能產生橢圓運動。振動的相位差由激勵信號的相位差控制。
設計的振子結構如圖4所示。為了簡化設計,換能器后端蓋統(tǒng)一采用直徑20 mm的不銹鋼,長度20 mm;橫、縱向振動體連接處的尺寸也確定。換能器前端蓋采用鋁合金材料。PZT8壓電陶瓷的尺寸為外徑38 mm,內徑15 mm,厚度5 mm。
定子尺寸設計中,主要針對L1~L6長度尺寸進行優(yōu)化設計,使電機工作在設定的頻率范圍內,振幅達到一定水平。
圖4 振子結構設計
圓柱(錐)體在車床上加工比較方便,因此振子Ⅰ前端蓋采用分體式加工再組合方式。橫向、縱向振動體在數控車床上單獨制作,在連接處通過過盈配合和螺紋聯(lián)接兩種方式組成整體,縱向振動體穿過橫向振動體,驅動足與縱向振動體一體。為了保證過盈配合和螺紋聯(lián)接的加工和裝配強度,橫向振動體留有一定的壁厚。對于連接處的尺寸,橫向振動體:外徑15 mm,長度15 mm;縱向振動體:直徑9 mm。以表1的數值作為振子設計的初始尺寸。
表1 振子Ⅰ初始尺寸
將振子結構體導入ANSYS仿真軟件,結構體劃分的網格邊長4 mm。橫向、縱向一階振型示意圖如圖5所示。
(a) 橫向
(b) 縱向
振子橫、縱向一階縱振初始頻率分別為30.81 kHz和30.664 kHz。
為了使兩向振動體一階縱振工作頻率趨于一致,須對L1~L6長度尺寸進行調節(jié)。圖6和圖7分別為L1~L6長度在±5%變化時,對橫、縱向振動體一階縱振頻率的靈敏度影響??v坐標以變化量最大值為100單位。
圖6 橫向振動體頻率靈敏度影響圖
圖7 縱向振動體頻率靈敏度影響圖
根據上述靈敏度影響圖調節(jié)各部分長度尺寸。初始時,縱向振動頻率較橫向偏低。調節(jié)步驟如下:先縮短縱向振動體前端(含變幅桿)的總長度,以粗調其頻率與橫向接近(相差在50 Hz內);當(L1+L2),(L5+L6)總長確定后,再逐步調節(jié)單個長度,以微調兩向頻率至一致。
在仿真研究中發(fā)現,當兩向頻率差值在10 Hz之內時,一階縱振振型會發(fā)生異變。因此為了保證振型純正,兩向頻率差值控制在12~15 Hz內,最終L1~L6的尺寸如表2所示。
表2 振子Ⅰ調整后尺寸
按照調整后的振子尺寸,得到橫向振動體一階縱振頻率為31.022 kHz,縱向振動體一階縱振頻率為31.038 kHz,兩者相差16 Hz,仿真結果可用于實際加工。
振子裝配如圖8和圖9所示,其中螺紋連接是過盈配合?;瑮l固定于機座上,振子嵌入機座滑槽內,機座尾部螺栓用于調節(jié)定、動子間壓力。
圖8 螺紋連接
圖9 過盈配合連接
利用功放如圖10所示,施加激勵電壓,兩向峰峰值都設為200 V,從25 kHz~35 kHz以10 Hz為遞進單位進行掃頻實驗。
圖10 激勵信號發(fā)生器
通過實驗發(fā)現,電機實際運行的效果不佳,滑條左右移動頻率差值較大,而且滑條推動力較小。采用車床分體加工再組合,雖然電機制作方便,時間短,但分體加工再組合的這種形式很難保證振子的一體化。組合體連接處會有難以控制的間隙,電機工作時本身振幅很小,橫向振動體的振動驅動效果差。
鑒于振子采用分體加工再組合方式的缺陷,振子Ⅱ采用數控銑削整體加工。由于是整體加工,橫、縱向振動體的連接就不必考慮壁厚因素。為了提高輸出端的振幅,對于連接處的尺寸處理,橫向振動體:直徑12 mm,長度18 mm;縱向振動體:直徑9 mm。重新調節(jié)L1~L6的長度尺寸,以使兩向一階諧振頻率趨于一致。重新調整后振子的尺寸如表3所示,得到橫向振動體一階縱振頻率是30.665 kHz,縱向振動體一階縱振頻率是30.654 kHz。制作的樣機如圖11所示。
表3 振子Ⅱ尺寸
圖11 一體式振子樣機
以一體式振子樣機進行推力和速度實驗,仍用功放施加兩向峰峰值都為200V的激勵電壓,從25kHz~35 kHz以10 Hz為遞進單位進行掃頻實驗。實驗發(fā)現,電機在頻率為29.55 kHz時工作效果比較好。進而利用PSV-300F-B型高頻掃描激光測振設備如圖12所示,對振子進行單向掃頻實驗,得到橫向和縱向振動體的掃頻結果如圖13和圖14所示。
圖12 激光測振設備
圖13 橫向振動體掃頻實驗圖
圖14 縱向振動體掃頻實驗圖
橫、縱向振動體的一階縱振諧振頻率分別為28.84 kHz和29.1 kHz,與仿真結果的差別主要是安裝和加工的誤差。通過對振子進行微小修整,再進行掃頻實驗,兩向諧振頻率差值控制在50 Hz之內。重新裝配電機,并調整定、轉子預壓力,電機在頻率為29.3 kHz的激勵電壓下工作狀態(tài)最佳。圖15為頻率29.3 kHz時,不同峰峰值激勵電壓下電機的推力變化規(guī)律。在100~250 V激勵電壓下,推力基本呈線性變化,再增加激勵電壓后電機發(fā)熱量大,性能變差,不適合用于正常工作。各激勵電壓下,測速儀測得滑條空載移動速度為150 mm/s左右,變化量較小。
圖15 推力-激勵電壓峰峰值變化規(guī)律
電機滑條的移動速度通過調節(jié)工作頻率來改變。在250 V激勵電壓下,工作頻率區(qū)間28.7 kHz~29.3kHz,速度-頻率如圖16所示,呈非線性變化增加。
圖16 速度-頻率變化規(guī)律
采用高強度夾心換能器作為振動體,充分利用一階縱振的優(yōu)勢,設計并制作直線壓電電機。電機振子由橫、縱向振動體正交連接而成,振動模態(tài)利用率高。
制作的樣機電機僅用6片PZT-8圓環(huán)形壓電陶瓷驅動。振子材料為鋁合金,質量輕;振子結構簡單,制作方便。電機的行程隨滑條長短而定。通過實驗測試,樣機達到一定的輸出力和移動速度。
本文所設計的直線壓電電機適用于一些特殊場合,如需無磁環(huán)境的醫(yī)療器械或航天器,可作為間歇性直線移動機構的驅動器。