白永明，金家楣

(1.無錫工藝職業(yè)技術(shù)學院，宜興 214206;2.南京航空航天大學，南京 210016)

0 引 言

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(qū)動動子運動，是一種將電能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩、響應(yīng)速度快、不受磁場干擾、保持力矩大、斷電自鎖、直接驅(qū)動、結(jié)構(gòu)相對簡單(無線圈)和相對質(zhì)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(xiàn)在，美國、日本、德國、以色列等科技發(fā)達國家，壓電電機技術(shù)及產(chǎn)品已實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)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(qū)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(lǐng)域獲得了較大的實際應(yīng)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(yīng)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(lǐng)域(醫(yī)療、航空航天、精密定位)的應(yīng)用前景，借鑒國內(nèi)外相關(guān)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。

1 電機振子結(jié)構(gòu)

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(xiàn)，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(shè)計直線壓電電機的工作模態(tài)。

電機振子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)一致，對稱布置，陶瓷組安裝極向相反，以產(chǎn)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(chǎn)生橢圓運動。

圖1 振子結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計中采用夾心式壓電換能器(類蘭杰文振子)的結(jié)構(gòu)形式，通過變幅桿將驅(qū)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(jié)構(gòu)圖

壓電陶瓷片采用圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，變幅桿采用圓錐形結(jié)構(gòu)，其他部分是圓柱結(jié)構(gòu)。陶瓷片的外徑確定后，換能器的直徑也就確定了，通過設(shè)計和調(diào)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(xiàn)。

2 振子驅(qū)動端橢圓運行的形成

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(chǎn)生橢圓運動。振動的相位差由激勵信號的相位差控制。

3 振子尺寸設(shè)計

設(shè)計的振子結(jié)構(gòu)如圖4所示。為了簡化設(shè)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(nèi)徑15 mm，厚度5 mm。

定子尺寸設(shè)計中，主要針對L1～L6長度尺寸進行優(yōu)化設(shè)計，使電機工作在設(shè)定的頻率范圍內(nèi)，振幅達到一定水平。

圖4 振子結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 振子Ⅰ設(shè)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(shù)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(qū)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(shù)值作為振子設(shè)計的初始尺寸。

表1 振子Ⅰ初始尺寸

將振子結(jié)構(gòu)體導(dǎo)入ANSYS仿真軟件，結(jié)構(gòu)體劃分的網(wǎng)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(diào)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(jù)上述靈敏度影響圖調(diào)節(jié)各部分長度尺寸。初始時，縱向振動頻率較橫向偏低。調(diào)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(diào)其頻率與橫向接近(相差在50 Hz內(nèi))；當(L1+L2)，(L5+L6)總長確定后，再逐步調(diào)節(jié)單個長度，以微調(diào)兩向頻率至一致。

在仿真研究中發(fā)現(xiàn)，當兩向頻率差值在10 Hz之內(nèi)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(nèi)，最終L1～L6的尺寸如表2所示。

表2 振子Ⅰ調(diào)整后尺寸

按照調(diào)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(jié)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。滑條固定于機座上，振子嵌入機座滑槽內(nèi)，機座尾部螺栓用于調(diào)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(shè)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(xiàn)，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(qū)動效果差。

3.2 振子Ⅱ設(shè)計

鑒于振子采用分體加工再組合方式的缺陷，振子Ⅱ采用數(shù)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(diào)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(diào)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

4 樣機實驗

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(xiàn)，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(shè)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(jié)果如圖13和圖14所示。

圖12 激光測振設(shè)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(jié)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(nèi)。重新裝配電機，并調(diào)整定、轉(zhuǎn)子預(yù)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(diào)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

5 結(jié) 語

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(shè)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(qū)動。振子材料為鋁合金，質(zhì)量輕；振子結(jié)構(gòu)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(shè)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(gòu)的驅(qū)動器。