驻波方环直线超声波电动机的特性分析与实验研究

王笑竹，张 健

(营口理工学院，营口 115014)



驻波方环直线超声波电动机的特性分析与实验研究

王笑竹，张 健

(营口理工学院，营口 115014)

在“跑道式”行波超声波电动机的基础上提出方环形驻波超声波电动机，该电机上下横梁关于水平方向对称布置两对凸齿，通过激励不同陶瓷片来改变振子基体上凸齿的运动方向，实现超声波电动机的正、反方向运动。借助ANSYS对振子基体及支撑部分进行了动态设计，分析了主要参数与振动频率的关系。以理论分析的数据尺寸制作了样机，验证了理论的正确性，为驻波超声波电动机的设计提供了依据。

超声波电动机；驻波；凸齿；实验研究

0 引 言

超声波电动机具有定位精确摩擦自锁等优点，受到了多种行业的广泛关注。在实际工程中，即需要利用超声波电动机的摩擦自锁和无电磁干扰的优点，同时还要求超声波电动机具有结构小、驱动方式简单的特点。本文针对这些要求，设计了一种方环形超声波电动机，方环形超声波电动机是对现有行波直线“跑道式”超声波电机的改造[2-3]，在相同频率的驻波激励作用下，通过激励不同陶瓷片来改变振子基体上凸齿的运动方向，进而实现电机的两向运动。

1 振子结构及面内弯曲振动模态

设计驻波超声波电动机的关键是选取两个同阶固有频率相等(或接近)的弯曲振型，同时保证凸齿在每一种弯曲模态下都处于合适的位置。方环形超声波电动机采用自行式驱动方式，振子结构如图1所示。上、下横梁关于水平方向对称布置两组凸齿(以增大振幅进而提高凸齿的推动力)，在振子面内布置了与振子一体的支撑结构。该振子含振子基体、凸齿、陶瓷片、支撑结构。

图1 超声波电动机振子结构

由于超声波电动机的振动频率在20～80 kHz之间时，电机基体尺寸与振动频率成反比，振动阶次与振动频率亦成反比。而本文设计的电机属微小型产品，这就使得在20～80 kHz之间的可用模态减少[4]。按照图2粘贴陶瓷片，振子在奇数阶的振型时，下横梁上的凸齿分别向两方向运动，进而实现电机的双向运动。当弯曲模态低于9阶时，横梁上凸齿难于布置在需要的位置，且振型不规则。因此本文选用第9阶弯曲模态。

f1=60 690 Hz f2=60 694 Hz

借助ANSYS对振子进行模态分析，结构参数如表1所示，振子基体B9的两个固有频率f1=60 690 Hz和f2=60 694 Hz。利用简谐驻波激励振子上下横梁陶瓷片，凸齿驱动导轨向左运动；当激励振子左右梁陶瓷片时，凸齿会驱动导轨向右运动。

表1 方环形振子的结构参数

*注：h为振子基体参数；tk为凸齿厚度。

2 振子模态的基体参数分析

改变振子长度l可以大幅度地改变振子两模态的固有频率。由图3知，在25.6～26.4mm范围变化l时，当梁长增加时频率降低(有利于增大振幅)，但频率差增加，不利于振子的运动。

图3 振子长度l与频率的关系

由图4可知，在其他尺寸参数不变的情况下，振子频率与圆弧内半径r呈正比关系。当r<4.3mm时，尽管振动频率和频率差都减小，但振型和凸齿的位置发生变化，影响振子的运动效果。

图4 振子内圆弧半径r与频率的关系

3 支撑结构对模态的影响

为方便超声波电动机快速起动、保证精准定位，要求支撑结构有足够的刚度。在设计与加工时应尽量满足优选的结构参数。本文选用直梁型柔性铰链连接振子基体与支撑结构。由图5可知，柔性铰链在力矩的作用下可以产生较明显的弹性变形，柔性铰链距振子基体竖梁的距离C=4mm时，模态1(f1=60.69kHz)频率均减小，模态2(f2=60.69kHz)频率均增大，因此频率差Δf=|f1-f2|也随之增大。

图5 支撑距离C与频率的关系

由图6知，铰链水平长度cl对Δf=|f1-f2|影响不大，但超声波电动机振动频率不是谐振频率，影响了电机的运行效果。

经有限元分析知，当铰链的厚度ch>0.8mm时，超声波电动机振子基体振型变化明显，波长、振幅不一致，导致超声波电动机不能正常工作。支撑结构参数对电机性能影响较大，因此在加工过程中要严格按照给定偏差范围加工。图7为支撑结构参数ch与频率关系。

图6 支撑结构参数cl与频率关系图7 支撑结构参数ch与频率关系

4 实验研究

考虑到加工振子和粘贴陶瓷片时材料的实际参数与理论参数存在差异等因素，按照有限元软件分析结果制作了电机，验证设计的准确性。

图8 实验装置

如图9所示，样机振子用黄铜材料制作，为了便于记录测试数据，对陶瓷片进行编号，记为P1,P2,P3,P4，每片陶瓷片所在梁的编号是1,2,3,4，四个凸齿编号是t1,t2,t3,t4。

图9 方环形振子

测试时设定激振电压峰-峰值为200V，模态固有频率分别为f1=60.69kHz,f2=60.69kHz，Un为每个直梁段一个波峰处的峰-峰值，下标n代表直梁段编号。

表2 每组陶瓷片的谐振频率

从表2中可知，实验测得数据与理论数据不同，Δf=210Hz。主要原因是未考虑胶层对弯曲模态的影响，另外材料属性参数与理论参数的差异也是原因之一。

本文所设计的电机为自行式，所以还为电机设计了导轨。图10是将电机安装在导轨上的照片。以简谐信号激励电机，振子沿导轨作往复直线运动。

图10 样机模型

由图11知，激励P2,P4陶瓷片时，下横梁凸齿交替工作，当激励电压峰峰值升高时，缺点被放大。但激励电压为200V时，电机仍能获得速度一致的两向运动。

图11 电压-速度特性曲线

图12表明激励电压峰-峰值为280V时负载与速度呈线性变化，当激励电压峰-峰值为300V时，负载与速度只在一段内呈线性变化。

图13表明功率速度特性曲线呈抛物线变化规律，激励电压峰-峰值为300V与280V相比，相同速度下，300V电压下所能激发的功率更高。

图12 负载-速度特性曲线(一侧驱动齿)图13 功率-速度特性曲线

5 结 语

本文在“跑道式”行波直线超声波电动机的基础上，提出了方环形驻波超声波电动机，利用ANSYS对结构参数及支撑参数进行了优化设计，确定了最终尺寸，并讨论了振子长度L、内圆弧半径R、支撑距离Z与频率之间的关系。在理论研究的基础上，制作了电机样机，实验测得频率52 760 Hz/52 550 Hz与理论分析频率60 690 Hz/60 694 Hz有210 Hz的差距，这主要是忽略胶层对模态影响等原因造成的。但振子在52 760 Hz/52 550 Hz下仍能得到9阶弯曲模态，且能激发出较高的振幅，实验证实电机在这一频率下能实现正、反方向运动。

[1] 上羽貞行，富川义郎.超声波马达理论与应用[M].杨志刚，郑学伦,译.上海:上海科学技术出版社，1998.

[2] 王宏祥.环形行波直线超声波电动机的研究[D].锦州：辽宁工学院，2005:53-64.

[3] 王红静.一类环形行波直线超声波电动机振子的数值与实验研究[D].锦州：辽宁工学院，2005:37-46.

[4] 何勍，SEEMANN W.环形直线行波超声波电动机定子的模态分析[J].压电与声光，2003，25(6):515-516.

[5] 何勍，SEEMANN W.一类行波型直线超声电机定子的优化设计[J].压电与声光，2004，26(6)：497-499.

[6] SEEMANN W. A linear ultrasonic traveling wave motor of the ring type[J].Smart Materials & Structures，1998，5(3):361-368.

Characteristic Analysis and Experimental Research on Vibrator of Square-Ring Type Linear Standing Wave Motor

WANG Xiao-zhu，ZHANG Jian

(Yingkou Institute of Technology，Yingkou 115014，China)

Square-annular standing wave ultrasonic motor was proposed which is based on the “runway” type traveling wave ultrasonic motor. The motor's crossbeam has two convex teeth which is symmetrically arranged about the horizontal, excitated of different ceramic plate to change the direction of the convex tooth's movement, to achieve ultrasonic motor's motion. The dynamic design of the vibrator and the support was made using ANSYS, and the relationship between the main parameters and vibration frequency was analyzed. A prototype was manufactured by the theoretical analysis data to verify the correctness of the theory. It provides the basis for the design of ultrasonic motor.

ultrasonic motor; standing wave; convex teeth; experimental research

王卫军(1984-)，男，博士，研究方向为工业自动化、工业机器人、电磁制动器、减速器等。

2015-03-04

TM359.9

A

1004-7018(2016)02-0034-03