曾勁松，張西平，盛練武，劉國寧

(鄭州大學 機械與動力工程學院，河南 鄭州 450001 )

0 引言

超聲電機是40年前發(fā)展起來的一種精密驅(qū)動裝置，它通過賦予壓電陶瓷相應的激勵電壓，利用壓電陶瓷的逆壓電效應，使定子產(chǎn)生彎曲變形的微幅高頻振動，然后經(jīng)過定、轉(zhuǎn)子間的摩擦界面來實現(xiàn)定子帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動[1]。與傳統(tǒng)電磁電機相比，超聲電機具有結(jié)構緊湊，扭矩大速率低，響應快及控制性優(yōu)良等特點。隨著武器裝備的發(fā)展，通常在軍事上用它來控制制導炮彈舵機的旋轉(zhuǎn)，以此調(diào)整炮彈在飛行過程中的受力與姿態(tài)，實現(xiàn)精準打擊的目的。但是高過載環(huán)境對超聲電機性能的影響很大，陳超等研究了8 000～15 000g(g=9.8 m/s2)重力加速度的高過載環(huán)境對超聲波電動機整體輸出性能的影響，結(jié)果表明，在未添加緩沖機械結(jié)構時，超聲電機在承受高過載沖擊后，定子將會發(fā)生塑性變形[2]。徐志科等研究了超聲波電動機定子支撐對其輸出性能的影響，結(jié)果表明，行波超聲電機定子的支撐位置的變化不會影響超聲電機的振幅[3]。王光慶等研究了預壓力大小對超聲電機輸出性能的影響，預壓力過小，超聲電機運行不平穩(wěn)且噪聲大；預壓力過大，超聲電機模態(tài)頻率高，且摩擦損耗也增大，不利于超聲電機性能的發(fā)揮[4]。他們通過在外部添加緩沖機械結(jié)構來提高超聲電機的抗過載性能，或只考慮到了定子支撐結(jié)構或預壓力等單一因素對超聲電機性能的影響，都未從提升定子結(jié)構自身強度的方法來提升超聲電機的抗過載能力。本文通過研究不同尺寸的超聲電機定子支撐結(jié)構，來提升超聲電機定子自身的抗過載能力、減小預壓力的變化，以此提升高過載后超聲電機的輸出性能。

1 45型超聲電機結(jié)構

45型超聲電機的結(jié)構組成如圖1所示。工作原理是定、轉(zhuǎn)子在螺母和蝶形彈簧的夾緊作用下，存在一定的正預壓力，從而為定、轉(zhuǎn)子間的摩擦傳動提供條件。

圖1 45型超聲電機結(jié)構圖

由于在制導炮彈發(fā)射的瞬間會產(chǎn)生大的沖擊力，這樣會使超聲電機定子發(fā)生塑性變形，影響蝶形彈簧施加給定、轉(zhuǎn)子間的正壓力，由庫倫摩擦定律得知，正壓力的減小將會造成定、轉(zhuǎn)子間摩擦力的減小，最終導致超聲電機輸出性能降低[5]。由于小型制導炮彈的空間局限性，使超聲電機的結(jié)構緊湊，難以添加抗高過載的緩沖結(jié)構。本文通過分析超聲電機定子支撐結(jié)構，從提升結(jié)構自身強度方面來增加超聲電機的抗過載能力。

1.1 定子結(jié)構分析

本文以45型超聲電機的定子(見圖2)為分析對象，該定子主要由定子固支、定子支撐、定子基體、定子齒和壓電陶瓷組成。它用4個螺栓通過定子固支將其固定在底座上，定子固支不會產(chǎn)生振動。因此，需要在超聲電機定子內(nèi)圈設計一種相對較薄的支撐板，可以起到徑向隔振的作用，能夠減小定子固支約束對超聲電機振幅的影響，同時這種設置可以在轉(zhuǎn)子上施加較大的預壓力，得到較大的輸出力矩。圖中，R1為定子內(nèi)圈半徑，R2為定子固支半徑，R3為定子支撐半徑，R4為定子半徑，H1、H2、HP分別為定子高度、定子基體高度和壓電陶瓷高度，K為定子支撐寬度，H為定子支撐高度，T為定子支撐厚度。

圖2 45型超聲電機定子結(jié)構

該超聲電機定子彈性體采用QSn6.5-0.1，壓電陶瓷采用PZT5[6]，具體的結(jié)構尺寸和材料參數(shù)如表1、2所示。

表1 定子結(jié)構尺寸參數(shù)

表2 定子的材料參數(shù)

Sn6.5-0.1是銅-錫-磷三元系合金[7]，具有強度高和彈性優(yōu)良的特點，該材料應力-應變曲線如圖3所示。

圖3 QSn6.5-0.1的應力-應變曲線

壓電陶瓷作為脆性材料，具有抗壓能力強及抗拉能力弱的材料力學性能，但是壓電陶瓷對于強沖擊過載的方向是敏感的，當沖擊載荷通過定子經(jīng)過摩擦材料傳遞給轉(zhuǎn)子時，壓電陶瓷自由端面產(chǎn)生的壓縮應力峰值最大，此時的壓電陶瓷處于安全狀態(tài)。顯然，當沖擊波由轉(zhuǎn)子傳遞給定子，壓電陶瓷自由端面產(chǎn)生的拉伸應力峰值最大，這時壓電陶瓷易損壞[8]。圖4為沖擊載荷方向示意圖，圖中沿z軸向上沖擊。沖擊載荷是由定子傳遞給轉(zhuǎn)子的，因此,本文壓電陶瓷具有很強的抗過載能力，故在此不分析壓電陶瓷的抗沖擊性能。

圖4 沖擊載荷方向示意圖

1.2 定子有限元模型建立

本文在ANSYS經(jīng)典界面中利用APDL參數(shù)化設計語言，建立該超聲電機定子的有限元實體模型(見圖2(a))。模型在劃分網(wǎng)格前需對該模型的單元類型進行設定?？紤]到本文是對超聲電機的實體三維模型進行分析，因此，選取SOLID164為定子彈性體的單元，它是一種8節(jié)點6面體單元，又因本文研究的是高過載環(huán)境下定子的抗過載能力問題，故不考慮壓電陶瓷的壓電性能，將壓電陶瓷部分也設置為SOLID164單元。又考慮到節(jié)省計算時間及在大變形條件的可靠性等問題[9]，該SOLID164單元采用缺省算法進行運算。另外本文采用與應變率無關的雙線性彈塑性材料模型來輸入材料參數(shù)，它的應力-應變曲線用兩條直線(彈性模量、切線模量(ETAN)和屈服應力)表達。根據(jù)超聲電機定子的安裝方式，該有限元模型將定子與壓電陶瓷進行綁定處理，定子的約束方式為內(nèi)圈固定外圈自由，網(wǎng)格采用邊長為0.45 mm的正六邊形，且疏密一致，如圖5所示。

圖5 定子有限元網(wǎng)格模型

2 定子結(jié)構抗過載能力分析

本文研究的45型超聲電機是用來控制制導炮彈舵機旋轉(zhuǎn)，在制導炮彈發(fā)射時超聲電機將承受約10 000g的重力加速度[10]。利用ANSYS模擬制導炮彈發(fā)射時的高過載環(huán)境，對超聲電機定子進行高過載的應力分析。本文加載的沖擊載荷曲線如圖6所示。

圖6 沖擊載荷曲線

圖7 定子的應力變形云圖

根據(jù)圖6的高過載沖擊條件，對以上結(jié)構的超聲電機定子進行高過載分析，應力變形云圖如圖7所示。由圖7(a)可知，該超聲電機定子彈性基體產(chǎn)生最大應力在定子基體與定子支撐的交接處，且最大應力為700 MPa，超過了QSn6.5-0.1的屈服極限420 MPa，定子發(fā)生塑性變形，而壓電陶瓷的最大應力僅為57 MPa，未達到壓電陶瓷的壓縮應力峰值。圖7(b)顯示該定子沖擊卸載后的變形云圖，定子齒的上表面發(fā)生縱向正翹曲變形。由圖7(c)可知，定子作用表面在沖擊過載的最大變形已達0.7 mm，由圖1可知，該45型超聲電機定、轉(zhuǎn)子間的預應力是由螺栓加載在蝶形彈簧上的力，使蝶形彈簧發(fā)生彈性形變。該定子產(chǎn)生0.7 mm的縱向正翹曲變形，將導致該超聲電機的預壓力降為0，使超聲電機的輸出性能下降甚至失效。

為了減小超聲電機在大過載環(huán)境下產(chǎn)生縱向正翹曲變形的現(xiàn)象，特對超聲電機定子支撐不同結(jié)構的強度進行分析。如圖2所示，本文從超聲電機的3個參數(shù)K,T,H來研究超聲電機定子結(jié)構對超聲電機抗過載能力的影響。

2.1 K的變化

首先討論K的變化對定子抗過載能力的影響。在滿足超聲電機正常性能的前提條件下，根據(jù)表1、2，利用單一變量原則設計不同的定子結(jié)構，進行沖擊仿真。K=3～7 mm時，T=1 mm，H=1 mm。計算結(jié)果如表3所示

表3 K變化時超聲波電機的抗過載能力

由表3可知，在10 000g的高過載環(huán)境下，定子支撐的等效應力全部超過錫磷青銅的屈服強度420 MPa，且最大應力出現(xiàn)在定子基體與定子支撐的交接處，定子作用面的正翹曲變形約為0.5 mm。結(jié)果表明，隨著K的增加，定子沖擊后的最大等效應力及作用面的縱向正翹曲變形都在逐漸增加，其抗過載能力在逐漸降低。

2.2 T的變化

在計算T的變化對定子抗過載能力的影響時，同樣運用單一變量原則，根據(jù)表3，取K=3 mm，H=1 mm，在滿足超聲電機正常條件下的特性指標時，選擇T=0.8～1.2 mm。對不同定子結(jié)構將那些高過載沖擊仿真，計算結(jié)果如表4所示。

表4 T變化時超聲波電機的抗過載能力

由表4可知，隨著T的增加，發(fā)生在定子基體與定子支撐之間的最大等效應力逐漸變小，定子作用面的縱向正翹曲變形也在逐漸降低，其中T=1.2 mm的超聲電機定子結(jié)構受到大過載后的等效應力及縱向翹曲變形均最低，此時超聲電機的抗過載能力最強。

2.3 H的變化

同樣通過單一變量原則，對不同支撐位置的定子支撐結(jié)構的定子進行大過載沖擊仿真，由表3、4可知，K=3 mm，T=1.2 mm時，由于H的變化對超聲電機輸出性能的影響不大，本文設置定子腹板位置的H=0.8～1.2 mm。在10 000g高過載沖擊環(huán)境下分別分析不同定子支撐結(jié)構的抗過載能力，分析結(jié)果如表5所示。

表5 H變化時超聲波電機的抗過載能力

由表5可知，在高過載環(huán)境下，H越接近定子基體中心時定子的抗過載能力越強，當H=1 mm時,定子支撐受到的等效應力最小，為430 MPa，且作用面的縱向正翹曲變形最小，為0.223 mm，此時超聲電機的抗過載能力最強。

由以上的分析結(jié)果可知，定子支撐結(jié)構影響超聲電機定子結(jié)構的抗過載能力。當K=3 mm,T=1.2 mm,H=1 mm時，該45型超聲電機定子結(jié)構的抗過載能力最強，在10 000g的高過載環(huán)境下，其最大等效應力為430 MPa,定子作用面的翹曲變形為0.223 mm。超聲電機輸出性能最好時預應力為180 N,由慕貝爾蝶形彈簧元件有限公司給出的蝶形彈簧數(shù)據(jù)可知，蝶形彈簧變形量為0.5～0.7 mm時可提供180 N的預應力。因此，定子作用面的翹曲變形為0.223 mm時，理論上該定子結(jié)構受到高過載沖擊后，蝶形彈簧的變形仍處于零剛度區(qū)間，因此不影響超聲電機的預壓力，對超聲電機的輸出性能的影響還需要進行試驗分析。

3 超聲電機定子的高過載實驗及分析

3.1 沖擊試驗

本文利用馬歇特錘實驗平臺，對優(yōu)化前、后的45型超聲電機定子的抗過載能力進行實驗評估。馬歇特錘是一種利用擺錘帶動實驗樣品撞擊鐵砧的實驗平臺，它在撞擊瞬間能夠產(chǎn)生較大的沖擊力，以此來模擬瞬時超高加速度的過載環(huán)境。

沖擊后的樣品如圖8所示。由圖可知，沖擊過載后，優(yōu)化前、后的定子結(jié)構中定子支撐的沖擊變形量都很小，但是優(yōu)化前定子作用面的縱向正翹曲變形比優(yōu)化后定子縱向正翹曲變形高出約0.3 mm。因此，通過理論和實驗都證明，從提高自身結(jié)構強度上提升超聲電機定子的抗過載能力是有效的。

圖8 優(yōu)化前、后實驗結(jié)果

3.2 輸出性能測試

通過磁滯測功儀，分別測量常規(guī)45型超聲電機、裝有常規(guī)定子沖擊后的超聲電機、優(yōu)化后定子沖擊后的超聲電機輸出性能，如圖9所示。正常超聲電機在正常環(huán)境下的空載轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)力矩分別約為200 r/min和0.45 N·m，裝有常規(guī)定子沖擊后的超聲電機的空載轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)力矩分別約為240 r/min和0.14 N·m，裝有優(yōu)化后定子沖擊后的超聲電機的空載轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)力矩分別為210 r/min,0.28 N·m。因此，由圖9可看出，超聲電機受到大過載沖擊后，由于壓電陶瓷未受到破壞，各種超聲電機的空載轉(zhuǎn)速變化不大，但是優(yōu)化后定子的超聲電機比未經(jīng)優(yōu)化后定子的超聲電機的堵轉(zhuǎn)力矩明顯提高一半。因此對定子支撐結(jié)構進行強化，可以明顯提高超聲電機的抗過載能力，增加其受到大過載沖擊后超聲電機的輸出性能。

圖9 超聲電機輸出性能對比

4 結(jié)論

本文針對10 000g重力加速度的高過載環(huán)境，從提高超聲電機結(jié)構自身強度的角度考慮，對超聲電機定子結(jié)構進行了優(yōu)化設計，得出如下結(jié)論：

1) 超聲電機的定子在高過載沖擊環(huán)境下，將會發(fā)生翹曲變形，變形部位為超聲電機定子支撐部位。

2) 定子支撐結(jié)構的改變能夠提升超聲電機定子的抗過載能力，即定子支撐越厚、越窄其抗過載能力越強。

3) 改變定子支撐結(jié)構，可以提升其抗過載能力，但它在正常環(huán)境下的機械性能會降低。

4) 在經(jīng)受高過載沖擊后，優(yōu)化后超聲電機的機械性能比未改變定子支撐結(jié)構的超聲電機的機械性能更好。