斜槽式模态转换型纵扭超声波电动机的研究与实验

张 辉，洪尚任，胡 丹，乔 木

(华侨大学，福建泉州362021)

0 引 言

纵扭复合型超声波电动机是超声波电动机中一个重要类型，它主要利用定子的纵向振动和扭转振动复合来使定子的驱动端面产生椭圆运动。最早是在1988年，东京工业大学的上羽贞行利用层叠型振子沿轴向具有大变形的特点，结合扭转振子研制成功的纵扭复合型超声波电动机［1］。本文主要是利用模态转换提出了一种斜槽式模态转换型纵扭超声波电动机，该类电机与其他超声波电动机相比，具有结构简单且仅需单相激励，设计制作了样机，并进行了实验测试及分析。

1 驱动原理与电机结构

1.1 驱动原理

斜槽式模态转换型纵扭超声波电动机是通过激励压电陶瓷片的厚度振动模式产生纵向振动。定子示意图如图1所示，第一部分表示纵向振动夹心式压电换能器，第二部分为斜槽式传振杆，当纵波传到斜槽位置时，由于斜槽的存在使其发生了转换，并使得斜槽界面后边的传振杆产生了扭转振动，最后在定子端面合成椭圆运动，驱动转子运动［2］。

图1 电机定子几何示意图

在理想状态下，把定子展开为平面，斜槽对纵波σ1的作用如图2所示，斜槽反射出纵波σ2和横波τ2。由于两斜槽平行且距离远远小于其波长，所以纵波σ2与横波τ2在斜槽间产生叠加。应力波的叠加在轴向和圆周方向产生振动分量，叠加后的应力波传播至传振杆的输出端产生复合振动。图3表示纵波σ1以入射角α入射，所以反射纵波以反射角α反射。反射横波以反射角β反射。取一微小段斜槽斜面为自由面，那么入射纵波σ1反射纵波σ2和反射横波τ2的应力状态［3］如图3所示。

图2 斜槽对纵波作用示意图

图3 纵波反射后的应力状态示意图

斜槽式模态转换型纵扭超声波电动机两个具有相近频率的工作模态在空间和时间上都具有一定的相位差(在振动方向上正交)，使得定子与转子接触界面上的质点产生椭圆运动，推动转子运动。

1.2 电机结构［4－5］

图4为本文提出的斜槽式模态转换型纵扭超声波电动机的装配图。电机主要有定子、转子、底座和预紧螺栓等构成，其中的定子主要有带有斜槽的前盖板、压电陶瓷片和后盖板组成。图5为本文研制的样机照片，底座为硬铝，定子和转子为45号钢，使用的压电陶瓷片是PZT8，其尺寸为外径20 mm、内径7 mm、厚 度3 mm。压电陶瓷片为圆环状的纵振陶瓷片，它利用压电陶瓷沿厚度方向的伸缩振动模式(TE)来激发定子的纵振模态，即利用压电陶瓷的d33效应。

图4 电机装配图

图5 电机样机照片

利用ANSYS对纵扭模式分析，取频率为40 kHz，分析结果如图6和图7所示，由分析可知扭振频率为40.918 kHz，纵振频率为41.934 kHz，频率差为1.016 kHz，在2 kHz之内，两种振动模态频率能保持一致性。

图6 一阶纵振模式分析

图7 二阶扭振模式分析

2 实验测试及分析

图8为本实验室的超声波电动机实验平台。该实验台由示波器、直流电源、超声波电动机控制器和样机构成，我们对电机的输出特性进行了以下测试。

图8 超声波电动机试验平台

2.1 激励频率与转速特性

在工作电压为380 V、预压力0.44 N的条件下，测试了电机的激励频率－转速特性，实验测试的曲线如图9所示。

图9 激励频率与转速曲线图

由上图可以看出，超声波电动机的输出转速由零逐渐增加到最大值，再减小到零。超声波电动机转速的最大值对应系统的共振频率处;偏离共振频率时，纵振动幅值减小，从而使超声波电动机输出转速降低。驱动电源的激励频率越接近谐振频率，转速越快，当达到共振频率时，转速最大。

从频率关系曲线图可看出，随着频率变化，电机转速变化不是很明显，这表明利用频率调节电机转速的范围较广，约为2 kHz。实测结果与计算结果存在一定的偏差，原因主要有以下几点:(1)纵振子与扭振子的谐振频率不一致;(2)样机材料参数的实际值与计算值有差异;(3)电火花加工斜槽时，制作工艺粗糙，精度不够导致扭转模态转换效率低。

2.2 预压力与转速特性

在输入频率为40.45 kHz，工作电压为380 V的条件下，测试了超声波电动机的输出转速随预压力的变化曲线，如图10所示。

图10 预压力与转速曲线图

超声波电动机的转子通过一定的预压力与定子紧密接触，才能产生足够维持转子旋转的摩擦力。从图10可以看出，预压力0.44 N时样机的运行效果较好。电机的转速达到最大值。从实验曲线图可以看出预压力，变化对电机转速的影响较大，随着预压力的增加，样机的最高转速明显提高，当预压力增加到一定值时，样机转速迅速降低。这说明要提高电机的转速，应选择适合的预压力，过大或过小都不利于电机转速的提高。因此，预压力的最优值在电机的设计中应给予充分的重视。但由于预压力的变化对电机内部性能的影响太多(如纵、扭谐振频率的影响)，不适合作为电机调速的参数。

2.3 驱动电压与转速特性

在给定输入频率为40.45 kHz，定转子间的预压力为0.44 N时，超声波电动机的驱动电压与转速关系曲线图如图11所示。

图11 驱动电压－转速曲线图

从图11中可看出，随着输入电压增加，电机转速增大，输出转速随电压变化曲线近似线性关系，这是由于电压增大，压电陶瓷的逆压电效应增强，振动幅值增大。当电压增至一定值时，振动幅值趋于饱和，转速不再有大的变化。但由于驱动电源设计的问题，实验中未能测得电机的最高转速对应的最大输入电压，据以往的经验，电机的驱动电压也应该存在一个极值。

在实际应用中，由于驱动电压受到压电陶瓷本身因素的限制，不能太低，电压太低不易起振，驱动不了电机;驱动电压也不能太高，否则超过压电陶瓷的极限电压时，介电损耗会增加，其输出效率太低，另一方面电压太高还有可能会烧坏压电陶瓷或者驱动电源。

3 结 语

本文研制出一种斜槽式模态转换型纵扭超波声电动机，分析了驱动原理，并进行了实验测试。试验结果表明电机在工作电压为380 V、预压力为0.44 N、激励频率为40.45 kHz时，电机的转速为最大转速为15.6 r/min。由于这类电机结构简单且单相激励，具有良好的实用前景。

［1］ 赵淳生.超声电机技术与应用［M］.北京:科学出版社，2007.

［2］ 林书玉.超声换能器的原理及设计［M］.北京:科学出版社，2004.

［3］ 皮钧.圆环斜槽传振杆的纵扭振动转换［J］.机械工程学报，2008，44(5):242－248.

［4］ 胡丹.斜槽式纵－扭复合模式超声电机的研究与设计［D］.华侨大学，2009.

［5］ Tsujino J，Suzuki R，Takeuchi M.Load characteristics of ultrasonic rotary motor using a longitudinal－torsional vibration converter［J］.Ultrasonics，1996，34:265－269.