王 楠,陳 超，陳金燕

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210016)

0 引言

超聲電機(jī)利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體的受迫振動，通過定、轉(zhuǎn)子的摩擦作用將定子的微觀振動轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的宏觀直線運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，其具有低速大力矩、無電磁干擾、位移分辨率高及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)[1]，在精密驅(qū)動，航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用前景好,近年來發(fā)展很快。但隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷推廣，也出現(xiàn)了一些局限，如某些飛行器舵機(jī)需要電機(jī)具有中空結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)有超聲電機(jī)以實(shí)心軸輸出為主。這使電機(jī)在系統(tǒng)集成過程中總需要一系列的中間傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行輸出，系統(tǒng)體積和質(zhì)量變大，且電機(jī)的輸出速度和系統(tǒng)效率降低。雖已有學(xué)者提出中空型超聲電機(jī)模型[2]，但目前中空電機(jī)大多在現(xiàn)有超聲電機(jī)的基礎(chǔ)上將空心轉(zhuǎn)子與原實(shí)心軸融合設(shè)計(jì)。采用中空轉(zhuǎn)子進(jìn)行力和速度的輸出(內(nèi)圈輸出)，不方便前、后零部件的安裝，且易隔斷前、后零部件。因此，本文提出了一種新型的圓筒型轉(zhuǎn)子的中空超聲電機(jī)，同屬于旋轉(zhuǎn)行波型超聲電機(jī)。該電機(jī)采用空心結(jié)構(gòu)，外圈轉(zhuǎn)子直接完成轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的輸出，使用過程無需中間傳動機(jī)構(gòu)，提高了工作效率。分析其工作機(jī)理，利用有限元軟件Ansys對定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)計(jì)算和諧響應(yīng)分析，進(jìn)一步優(yōu)化了定子結(jié)構(gòu)尺寸，確定其最佳工作模態(tài)頻率;制作了原理樣機(jī)，并進(jìn)行了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)布局

圖1為外圈輸出的中空型超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。在現(xiàn)有行波型超聲電機(jī)的基礎(chǔ)上，定子取消了固定內(nèi)環(huán)，進(jìn)一步擴(kuò)大空心結(jié)構(gòu)，使腹板尺寸更短，抗過載能力有一定提高。轉(zhuǎn)子采用剛性轉(zhuǎn)子可保證定、轉(zhuǎn)子的接觸寬度以增大定、轉(zhuǎn)子間的實(shí)際接觸面積，提高工作效率。轉(zhuǎn)子通過鎖緊螺母、碟簧、軸承和摩擦片壓緊在定子齒面上，并完成二者間預(yù)壓力的施加。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，中心孔可用于穿過信號線、電源線、光路及完成零部件的安裝與固定[3]。該中空型超聲電機(jī)直接通過轉(zhuǎn)子進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的輸出，且轉(zhuǎn)子可根據(jù)應(yīng)用場合的實(shí)際情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)融合設(shè)計(jì)，不需中間傳動機(jī)構(gòu)，進(jìn)一步提高了工作效率，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

圖1 中空型超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 電機(jī)工作原理

該中空型超聲電機(jī)選用的壓電陶瓷片為環(huán)形壓電陶瓷，沿厚度方向極化，分為A、B兩相，這兩相在空間上適當(dāng)布置。壓電陶瓷的極化和配置方式如圖2所示。

圖2 壓電陶瓷的和配置方式

當(dāng)A、B兩相施加相位差為90°的同頻等幅交變電壓時(shí)，在定子中會激發(fā)出兩相幅值相等、時(shí)間、空間均相差90°的駐波[4]，兩相振型如圖3所示。

圖3 B09模態(tài)A、B相振型

兩相駐波疊加后形成沿某一方向傳播的行波，定子的齒狀表面各質(zhì)點(diǎn)會分別形成橢圓軌跡，在定、轉(zhuǎn)子間預(yù)壓力的作用下，將定子的微觀振動轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。電機(jī)運(yùn)行機(jī)理如圖4所示。通過定、轉(zhuǎn)子間的摩擦作用帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，從而輸出一定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。

圖4 電機(jī)運(yùn)動機(jī)理圖

2 定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

定子是整個(gè)電機(jī)的核心部分，其完成能量的轉(zhuǎn)換，并通過摩擦驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，從而進(jìn)行機(jī)械性能的輸出[5]。原實(shí)心軸超聲電機(jī)定子通過定子固定內(nèi)環(huán)固定在底座上，由于本文所述電機(jī)為中空結(jié)構(gòu)，腹板尺寸較小，所以對定子的夾持方式進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)以實(shí)心軸超聲電機(jī)定子為原型，取消了固定內(nèi)環(huán)，通過一個(gè)開有內(nèi)螺紋的壓緊套筒對定子進(jìn)行軸向固定，同時(shí)在遠(yuǎn)離定子齒的腹板面開有六邊形凹槽，與中空底座上的六邊形凸臺相配合對定子進(jìn)行周向限位。本文將定子結(jié)構(gòu)尺寸分為基體厚度L1、腹板高度L2、定子齒高L3和凹槽深度L44部分，如圖5所示。

圖5 定子結(jié)構(gòu)圖

利用Ansys軟件對定子進(jìn)行建模，并采用六面體主導(dǎo)的多分區(qū)方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。然后進(jìn)行參數(shù)化的模態(tài)分析[6]，分別確定各結(jié)構(gòu)尺寸對B09模態(tài)頻率的影響趨勢。求解過程發(fā)現(xiàn)，B09模態(tài)前后始終存在兩干擾模態(tài)，如圖6所示。

圖6 B09模態(tài)前后一階干擾模態(tài)

確定定子最佳工作模態(tài)時(shí)，首先采用攝動法,即改變尺寸的1%[6]，求解得到上述結(jié)構(gòu)尺寸對B09模態(tài)及其前后兩干擾模態(tài)的靈敏度，如圖7所示。

圖7 模態(tài)頻率對結(jié)構(gòu)尺寸的靈敏度

由圖7可看出，L1、L3對B09模態(tài)影響較大，L2、L4對干擾模態(tài)影響較小。通過優(yōu)化L3、L2、L1等結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)而獲得較大的速度因子及較好的工作模態(tài)，最終確定其主要尺寸如表1所示。

表1 定子的主要參數(shù)

3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提出的圓筒型轉(zhuǎn)子的中空型超聲電機(jī)，其工作結(jié)構(gòu)(舵翼)與電機(jī)轉(zhuǎn)子是一體設(shè)計(jì)的。本文所述轉(zhuǎn)子采用剛性結(jié)構(gòu)，如圖8所示。定子與轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力通過鎖緊螺母、碟簧、軸承施加。在飛行器發(fā)射過程，中空底座通過六邊形凸臺給定子提供向上加速度，定子推動轉(zhuǎn)子向上加速，柔性轉(zhuǎn)子腹板太薄，在高沖擊環(huán)境下的表現(xiàn)差。而剛性結(jié)構(gòu)使定、轉(zhuǎn)子間的接觸狀況更好，即使在高過載的情況下，定、轉(zhuǎn)子也能保證較好的接觸寬度[8]，如圖9所示。這提高了二者間的接觸摩擦力，使電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的輸出更平穩(wěn)，有利于提高電機(jī)壽命。此外，本文采用通過碟簧和剛性轉(zhuǎn)子施加預(yù)壓力的方式會提高電機(jī)的抗過載能力得到。

圖8 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖9 高過載下定、轉(zhuǎn)子接觸示意圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化并確定各尺寸參數(shù)后制作了原理樣機(jī)，如圖10所示。該樣機(jī)的外形尺寸為?60 mm×70 mm，質(zhì)量約為400 g。

圖10 電機(jī)實(shí)物圖

4.1 定子模態(tài)實(shí)驗(yàn)

本文作者對加工好的定子進(jìn)行了測振實(shí)驗(yàn)，利用PSV多普勒激光測振儀分別對A、B相進(jìn)行掃頻，定子兩相的幅頻特性曲線如圖11所示。

圖11 定子A、B相頻率響應(yīng)特性

A、B兩相B09模態(tài)頻率與前、后干擾模態(tài)頻率對比如表2所示。由表可知，該模態(tài)遠(yuǎn)離干擾模態(tài)，滿足設(shè)計(jì)要求。定子A、B相被激發(fā)出B09模態(tài)時(shí)的頻率分別為39.67 kHz、39.68 kHz，兩相頻率差為10 Hz，可滿足頻率一致性要求[9]。B09模態(tài)下定子頂端質(zhì)點(diǎn)的振幅為2.078 μm，速度幅值為0.5 m/s，與仿真結(jié)果相仿。

表2 工作模態(tài)與干擾模態(tài)對比

4.2 電機(jī)性能測試

對裝配好的電機(jī)設(shè)計(jì)并搭建了相應(yīng)的測試平臺，如圖12所示。進(jìn)行了一系列的性能測試，繪制了電機(jī)的負(fù)載特性曲線，如圖13所示。該中空電機(jī)在激勵電壓峰-峰值450 V、頻率40.2 kHz時(shí)，空載轉(zhuǎn)速可達(dá)208 r/min，堵轉(zhuǎn)力矩可達(dá)0.35 N·m。

圖12 中空型超聲電機(jī)性能測試平臺

圖13 中空型超聲電機(jī)的負(fù)載特性曲線

5 結(jié)束語

針對某些飛行器舵機(jī)等控制系統(tǒng)，要求超聲電機(jī)具有中空結(jié)構(gòu)和一定的保持力矩等特定工程，本文設(shè)計(jì)了一種圓筒型轉(zhuǎn)子的中空型超聲電機(jī)。分析其工作機(jī)理，利用有限元軟件Ansys對定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模和尺寸優(yōu)化，確定了最佳尺寸。加工了原理樣機(jī)，進(jìn)行了一系列的性能測試。實(shí)驗(yàn)表明，該中空電機(jī)在激勵電壓峰-峰值450 V，頻率40.2 kHz時(shí)，空載轉(zhuǎn)速可達(dá)208 r/min，堵轉(zhuǎn)力矩可達(dá)0.35 N· m，可滿足實(shí)際的工程需要。