王哲逸，賀紅林，方志敏，吳興強(qiáng)

(南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

0 引言

超聲電機(jī)是利用壓電材料逆壓電效應(yīng)實現(xiàn)電能到結(jié)構(gòu)振動能的轉(zhuǎn)換，并通過摩擦耦合將振動轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動的一種新概念電機(jī)[1]。超聲波電機(jī)的基本工作原理是：將電壓信號施加在由壓電陶瓷和金屬彈性體構(gòu)成的電機(jī)定子上，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，電機(jī)定子彈性體產(chǎn)生變形，當(dāng)激勵電壓頻率與定子彈性體的共振頻率接近時，定子便會產(chǎn)生一定規(guī)律的機(jī)械振動[2-5]。定子發(fā)生振動時，定子表面質(zhì)點會產(chǎn)生一定軌跡的橢圓運(yùn)動，一方面質(zhì)點產(chǎn)生的法向位移對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一定壓力，另一方面質(zhì)點和轉(zhuǎn)子間的切向位移使其產(chǎn)生相對滑動，這樣通過定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合，驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動[6-9]。超聲波電機(jī)是典型的低速大力矩電機(jī),與一般電機(jī)相比其具有輸出力矩大，可控性強(qiáng)，正反轉(zhuǎn)特性一致及低速穩(wěn)定性好等特點,非常適用于各類航天器和武器裝備的驅(qū)動器和伺服系統(tǒng),具有較高的研究價值[10-11]。因此，本文建立了盆架形超聲波電機(jī)的有限單元法(FEM)模型，運(yùn)用ANSYS 15仿真分析了改變方桿的高度、橫截面大小、直徑孔的深度和直徑、陶瓷片位置等參數(shù)對電機(jī)彎縱振的影響[12-13]。針對定子尺寸對電機(jī)工作狀態(tài)的影響及對電機(jī)進(jìn)行定子驅(qū)動足振動性能和電機(jī)輸出性能的研究,對完善電機(jī)的設(shè)計、改善電機(jī)輸出特性具有一定的意義[14]。

1 盆架形超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 定子構(gòu)型設(shè)計及工作模態(tài)選取

圖1 盆架形超聲電機(jī)定子模型

本文提出的定子模型如圖1(d)所示，定子由4根方桿與十字結(jié)構(gòu)體相連構(gòu)成，在十字結(jié)構(gòu)體中心設(shè)置通孔以便安裝。圖中L為方桿高度，L1為直徑孔高，H為方桿長,K為方桿寬，K1為十字結(jié)構(gòu)體桿長，K4為十字結(jié)構(gòu)體通孔邊長,R為直徑孔直徑。為使各方桿產(chǎn)生較純正的面內(nèi)彎振和反對稱縱振，在各根方桿與十字結(jié)構(gòu)體連接處開設(shè)了小槽口；為增強(qiáng)各桿的柔性以利增大其彎曲工作振幅，在各方桿的中心處制作直徑孔。通過微調(diào)這些孔的尺寸，還可實現(xiàn)調(diào)整定子工作模態(tài)頻率的目的，有利于實現(xiàn)工作模態(tài)頻率的一致性。在4根方桿的頂部均設(shè)有驅(qū)動足用于傳遞運(yùn)動，并將壓電陶瓷片對稱貼于每根方桿的兩側(cè)。其中靠近十字結(jié)構(gòu)體的16片壓電陶瓷用于激勵定子產(chǎn)生反對稱縱向伸縮振動模態(tài)，靠近兩端的16片陶瓷片用于激勵定子產(chǎn)生面內(nèi)彎振。選取盆架形定子的前(后)方桿與左(右)方桿的反對稱縱向伸縮振動模態(tài)、左(右)方桿面內(nèi)同型“3”字型彎振模態(tài)、前(后)方桿同型“3”字型面內(nèi)彎振模態(tài)作為理想工作模態(tài)。電機(jī)利用反對稱縱向伸縮振動分別與左(右)方桿面內(nèi)彎振、前(后)方桿面內(nèi)彎振的振動進(jìn)行耦合，從而使左(右)、前(后)方桿驅(qū)動足分別復(fù)合形成在yOz、xOz平面運(yùn)動的橢圓軌跡，驅(qū)使電機(jī)動子板沿著x、y方向移動，實現(xiàn)電機(jī)的平面運(yùn)動。

1.2 壓電陶瓷配置

為了有效激勵定子三相工作模態(tài)的諧振并減少驅(qū)動電源的相數(shù)，同時也為了盡可能避免 “短路”現(xiàn)象，須對壓電陶瓷片進(jìn)行合理的供電配置，如圖2所示。為達(dá)到有效激勵電機(jī)定子的目的，首先對各壓電陶瓷片與定子基體接觸面的電極均進(jìn)行“接地”處理；同時，對用于縱振激勵陶瓷片組中的各陶瓷片定子基體背離面電極均通入U2cosωt的簡諧電激勵信號；對用于前(后)方桿彎振激勵陶瓷片組中的各陶瓷片定子基體背離面電極均通入U1sinωt的簡諧電激勵信號；對用于左(右)方桿彎振激勵陶瓷組中的各陶瓷片定子基體背離面電極則須通入U3sinωt的簡諧電激勵信號，其中Ui(i=1,2,3)為激勵信號電壓幅值，ω為激勵信號頻率，t為時間。為了能激勵驅(qū)動足產(chǎn)生微米級振幅，從而驅(qū)動足能有效地推動動子板滑移，要求所接ω與定子的工作模態(tài)頻率接近，且應(yīng)保證各個工作模態(tài)頻率間的差值不能超過0.5%。如果各個工作模態(tài)頻率間相差過大，則需通過調(diào)整定子基體的尺寸來適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)工作模態(tài)頻率，同時要求驅(qū)動信號U1、U2、U3的電壓幅值應(yīng)控制在150～300 V，并將同組激勵左(右)方桿面內(nèi)彎振的陶瓷片激勵方向設(shè)為x方向，同組激勵前(后)方桿面內(nèi)彎振的陶瓷片激勵方向設(shè)為y方向, 同組激勵反對稱縱振的陶瓷片激勵方向為指向定子基體方向。

圖2 定子壓電陶瓷極化供電配置

1.3 驅(qū)動足橢圓軌跡方程

盆架形電機(jī)定子的數(shù)字模型和工作模態(tài)具有對稱性，故取右驅(qū)動桿和前驅(qū)動桿來分析定子驅(qū)動足的運(yùn)動軌跡和觸發(fā)激勵振動的條件。根據(jù)上述定子供電配置，首先對陶瓷片與定子基體接觸的電極面均進(jìn)行接地處理，再對右驅(qū)動桿上的壓電陶瓷片定子基體背離面表面通入頻率相同、初始相位不同的簡諧電激勵信號。此時右驅(qū)動桿驅(qū)動足沿x、z方向的運(yùn)動方程為

(1)

式中：ux、uz分別為驅(qū)動足沿x、z方向的位移；U、W分別為驅(qū)動足在x、z方向的振幅；α、γ分別為驅(qū)動足在x,z方向的初始相位。

(2)

同理，對前驅(qū)動桿上的壓電陶瓷片定子基體背離面表面瓷施加頻率相同、初始相位不同的簡諧電激勵信號，此時前驅(qū)動桿驅(qū)動足沿y、z方向的運(yùn)動方程為

(3)

式中：uy為驅(qū)動足沿y方向的位移；V為驅(qū)動足在y方向的振幅；β為驅(qū)動足y方向上的初始相位。

對式(3)進(jìn)行變化可得前桿驅(qū)動足在yOz平面內(nèi)的運(yùn)動軌跡：

(4)

由式(2)、(4)可得，當(dāng)φ或φ為π/2時，驅(qū)動足的運(yùn)動軌跡為標(biāo)準(zhǔn)橢圓；當(dāng)φ、φ由π/2減小時，驅(qū)動足橢圓軌跡逐漸變扁；當(dāng)φ或φ為0時，驅(qū)動足的運(yùn)動軌跡變成直線。故為了更好地激勵定子產(chǎn)生橢圓運(yùn)動，用于激勵面內(nèi)彎振的簡諧交變電壓和用于激勵反對稱縱向伸縮振動的簡諧交變電壓之間需存在π/2的相位差。

1.4 定子驅(qū)動機(jī)理

電機(jī)定子對矩形動子板的驅(qū)動過程即3種振動模態(tài)耦合的過程。圖3為一個振動周期下的矩形動子板運(yùn)動過程，本文以xOz、yOz面來展示三相工作模態(tài)疊加下定子的工作原理。

水污染防治方面，深入實施水污染防治行動計劃，扎實推進(jìn)河長制湖長制，堅持污染減排和生態(tài)擴(kuò)容兩手發(fā)力，加快工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活污染源和水生態(tài)系統(tǒng)整治，保障飲用水安全，消除城市黑臭水體，減少污染嚴(yán)重水體和不達(dá)標(biāo)水體。

圖3 定子驅(qū)動足運(yùn)動軌跡

1) 在0～T/4(T為周期)時段，前、后桿的縱振則使它們由初始桿長伸張成最大桿長，使左、右方桿上的驅(qū)動足與動子組件上的矩形動子板接觸，而左、右方桿的彎曲模態(tài)振動使兩桿由最大面內(nèi)左彎狀態(tài)恢復(fù)成直桿狀態(tài)，從而使左、右方桿上驅(qū)動足A、B分別由A1、B1運(yùn)行至A2、B2位置并推動矩形動子板沿x方向移進(jìn)一個步矩；與此同時，前、后方桿的縱振則使它們由初始長度收縮至最小桿長，使前、后方桿上的驅(qū)動足F、G與矩形動子板脫離接觸，前、后方桿的彎曲模態(tài)振動則使前、后方桿由最大前面內(nèi)彎狀恢復(fù)成直桿狀，從而使前、后方桿上的驅(qū)動足F、G分別由F1、G1行進(jìn)到F2、G2位置。

2) 在T/4～T/2時段，左、右方桿的縱振使它們均由最大桿長恢復(fù)到初始桿長，此時兩桿上的驅(qū)動足仍保持與矩形動子板接觸，而左、右方桿的彎振模態(tài)卻使兩桿由直桿狀彎成最大右彎狀，從而使左、右方桿上驅(qū)動足A、B分別由A2、B2運(yùn)行至A3、B3位置，并推動矩形動子板沿x方向再移進(jìn)一個步矩；與此同時，前、后方桿的縱振則使它們由初始最小桿長恢復(fù)到初始桿長，使前、后方桿上的驅(qū)動足F、G仍不與矩形動子板接觸，而前、后方桿的彎曲模態(tài)振動則使前、后方桿由直桿狀彎曲成最大后彎狀，從而使前、后方桿上的驅(qū)動足F、G分別由F2、G2行進(jìn)到F3、G3位置。

3) 在T/2～3T/4時段，左、右方桿的縱振使其由初始長度收縮成最小桿長，而使驅(qū)動足A、B脫離與矩形動子板的接觸，而左、右方桿的彎振則使它們由最大右彎態(tài)恢復(fù)成直桿狀，從而使左、右方桿上的驅(qū)動足A、B分別由A3、B3運(yùn)行至A4、B4位置；與此同時，前、后方桿的縱振則使它們由初始桿長伸長成最大桿長，致使前、后方桿上的驅(qū)動足F、G與矩形動子板相接觸，而前、后方桿的彎曲模態(tài)振動則使前、后方桿由最大后彎狀恢復(fù)成直桿狀，從而使前、后方桿上的驅(qū)動足F、G分別由F3、G3行至F4、G4位置，并推動矩形動子板沿y方向移進(jìn)第一個步距。

4) 在3T/4～T時段內(nèi)，左、右方桿的縱振使其由最小桿長恢復(fù)為初始長度，使驅(qū)動足A、B仍不與矩形動子板接觸，左、右方桿的彎振則使它們由直桿狀彎曲成最大左彎狀態(tài)，從而使左、右方桿上的驅(qū)動足分別由A4、B4運(yùn)行至A1、B1位置；與此同時，前、后方桿的縱振則使它們由最大桿長恢復(fù)到初始桿長，使前、后方桿上的驅(qū)動足F、G仍與矩形動子板保持接觸，而前、后方桿的彎曲模態(tài)振動則使前、后方桿由直桿狀彎曲成最大前彎狀，從而使前、后方桿上的驅(qū)動足分別由F4、G4行至F1、G1位置，并推動矩形動子板沿y方向移進(jìn)第二個步距。

2 結(jié)構(gòu)動力學(xué)優(yōu)化

2.1 電機(jī)定子FEM模型

本文中的盆架形定子結(jié)構(gòu)屬于較復(fù)雜的彈性結(jié)構(gòu)，故使用ANSYS對其進(jìn)行數(shù)字化建模。定子體由多個零件組成，需對不同零件設(shè)置相應(yīng)的材料屬性。定子驅(qū)動桿和驅(qū)動足選用45號碳鋼，單元類型設(shè)置為SOLID185，壓電陶瓷材料選用PZT-8，單元類型設(shè)置為SOLID5，并輸入壓電材料密度、壓電系數(shù)、介電常數(shù)矩陣等參數(shù)。考慮到定子驅(qū)動桿兩側(cè)的壓電陶瓷極化方向成對稱狀態(tài)，壓電材料的屬性定義按兩種方向進(jìn)行設(shè)置。壓電陶瓷片與彈性體并非一體，需先將兩者粘合在一起再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。定子基體同時存在小槽口和直徑孔，為了便于網(wǎng)格劃分，先對其基體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，再對壓電陶瓷片進(jìn)行更規(guī)則的六面體網(wǎng)格劃分。定子體總單元數(shù)量為105 331個，選取圖中D點作為后續(xù)分析對象，圖4為定子構(gòu)型圖。

圖4 定子構(gòu)型圖

2.2 模態(tài)一致性及電機(jī)定子尺寸分析

超聲電機(jī)的平穩(wěn)工作建立在三相工作模態(tài)頻率一致上，而工作模態(tài)頻率與定子結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，研究定子模態(tài)頻率和定子結(jié)構(gòu)尺寸間的關(guān)系尤為重要。盆架形電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)尺寸較多，故取對定子模態(tài)頻率影響較大的結(jié)構(gòu)尺寸作為定子的特征尺寸進(jìn)行分析。本文提出的盆架形定子為對稱結(jié)構(gòu)故取其左方桿和前方桿進(jìn)行分析，圖5為盆架形電機(jī)定子各特征尺寸與工作模態(tài)頻率之間的關(guān)系。由圖可知，K4增大時，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率均下降，反對稱縱振頻率基本不變；L1增大時，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率基本不變，反對稱縱振頻率下降；R增大時，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率上升，反對稱縱振頻率下降；L增大時，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率及反對稱縱振頻率均下降，且各模態(tài)頻率的間距擴(kuò)大；H增大時，左方桿面內(nèi)彎振、前方桿面內(nèi)彎振頻率、反對稱縱振頻率先上升再下降且各模態(tài)頻率的間距減小；K增大時，左、前方桿面內(nèi)彎振頻率上升，反對稱縱振頻率基本不變，各模態(tài)頻率的間距減小。

圖5 定子各特征尺寸對模態(tài)頻率的影響

以滿足三相工作模態(tài)頻率一致性為前提,通過對上述結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化分析得到定子結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 盆架形結(jié)構(gòu)定子優(yōu)化尺寸

3 盆架形壓電定子諧響應(yīng)分析

為保證超聲電機(jī)有平穩(wěn)的工作狀態(tài)，各相工作模態(tài)要有較接近的振動幅值和模態(tài)頻率，且在工作模態(tài)附近無干擾模態(tài)，否則電機(jī)在運(yùn)動過程中易出現(xiàn)干擾振動導(dǎo)致電機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)。用表1所得優(yōu)化后的數(shù)據(jù)建立電機(jī)定子有限元模型，并給壓電陶瓷片表面施加250 V激勵電壓，基體接觸面不施加激勵電壓，并按圖2所示方式對壓電陶瓷片接電。將諧響應(yīng)分析頻域設(shè)置為43.0～44.5 kHz，計算步長50 Hz/步，計算結(jié)果如圖6所示。由圖可知，盆架形定子的各相工作模態(tài)振幅均在43 890 Hz左右出現(xiàn)峰值，且在43.0～44.5 kHz時及峰值附近無其他干擾模態(tài)，說明電機(jī)在此頻段內(nèi)工作穩(wěn)定。

圖6 定子振動頻率特性曲線

4 盆架形壓電定子瞬態(tài)響應(yīng)分析

為了確保電機(jī)定子能平穩(wěn)工作，還需對其進(jìn)行各相振動幅值響應(yīng)分析，只有當(dāng)壓電定子驅(qū)動足產(chǎn)生微米級振幅時才能推動矩形動子板運(yùn)動。借助ANSYS分析軟件對盆架形壓電定子在給定頻率下的動力學(xué)分析。以前方桿上的D點(見圖3(a))為例，對各陶瓷片施加43 890 Hz、250 V、相位差π/2的激勵電壓，運(yùn)用ANSYS瞬態(tài)響應(yīng)求解器對驅(qū)動足的位移情況進(jìn)行求解，得到D點的振動響應(yīng)如圖7所示。由圖可看出,定子驅(qū)動足達(dá)到穩(wěn)態(tài)振動的響應(yīng)時間僅為0.8 ms，定子驅(qū)動足振動到達(dá)穩(wěn)態(tài)后沿x、y、z的振動幅值分別為為2.0 μm、1.49 μm、3.36 μm，滿足定子驅(qū)動要求。

圖7 驅(qū)動足沿x、y、z方向的振動響應(yīng)

當(dāng)同時激勵前(后)方桿和左(右)方桿時產(chǎn)生運(yùn)動耦合現(xiàn)象，圖8為驅(qū)動足在xOz，yOz平面內(nèi)的橢圓運(yùn)動軌跡。驅(qū)動足橢圓運(yùn)動軌跡呈扁平狀、有較長的驅(qū)動弧。

圖8 驅(qū)動足在xOz，yOz平面內(nèi)的橢圓運(yùn)動軌跡

5 定子運(yùn)動調(diào)節(jié)特性

超聲電機(jī)以交流電壓作為激勵信號，為獲得更穩(wěn)定的工作狀態(tài)，需對通入的激勵信號電壓以及頻率對驅(qū)動足的影響進(jìn)行分析。由圖9(a)可知，隨著施加在陶瓷片上的激勵信號電壓不斷升高，驅(qū)動足的各向振幅與電壓成線性正比關(guān)系。當(dāng)電壓增大時，振動幅度增大。用頻率不同、電壓相同的激勵信號施加于陶瓷片，得到如圖9(b)所示的驅(qū)動足調(diào)頻振動特性關(guān)系，驅(qū)動足的各相振幅與激勵頻率成非線性關(guān)系。隨著ω的增加，驅(qū)動足的振動幅值出現(xiàn)先增后減的現(xiàn)象，振幅峰值出現(xiàn)在43 890 Hz處。

圖9 盆架形定子驅(qū)動足振動調(diào)節(jié)特性

6 電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)

滿足電機(jī)定子裝夾的同時，電機(jī)裝配體還需滿足定子和動子板之間存在一定的可調(diào)預(yù)緊力來保證連接的可靠性。本文選取盆架形定子的十字結(jié)構(gòu)體中心處作為裝夾位置，可以大幅度地降低因固定造成的工作模態(tài)漂移。圖10為盆架形定子電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)。由圖可知，壓電定子通過螺栓與頂部支座固定，通過橡皮墊圈施加預(yù)緊力和避免直接接觸，動子板通過滾珠與蓋板接觸形成滾動副。

圖10 盆架形定子電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)

7 結(jié)論

1) 提出了盆架形平面超聲電機(jī)原理及其定子結(jié)構(gòu)，選取定子的前(后)方桿與左(右)方桿之間的反對稱縱向伸縮振動模態(tài)、左(右)桿面內(nèi)同型“3”字型彎振模態(tài)、前(后)桿同型“3”字型彎振模態(tài)作為工作模態(tài)。

2) 建立了盆架形平面超聲電機(jī)的有限元模型，確定定子配電模式，對定子進(jìn)行三相工作模態(tài)一致性進(jìn)行分析，求得定子的基本結(jié)構(gòu)為53.136 mm×4.550 mm×4.560 mm。

3) 對定子進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，模擬出定子驅(qū)動足運(yùn)動橢圓軌跡，驗證了電機(jī)驅(qū)動原理。

4) 分析得到了電機(jī)的調(diào)壓、調(diào)頻幅值運(yùn)動特性規(guī)律。

5) 設(shè)計了一種盆架形定子固定夾持方案，建立了電機(jī)的三維裝配模型，利用振子上的4個驅(qū)動足交替推動動子運(yùn)動，以達(dá)到增大電機(jī)動力輸出的目的。