曲建俊，陈会国

    (哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

    摘要：对弯曲旋转实心金属柱微超声波电机的定予进行理论和实验研究，找出了影响电机定子振动模态的

    主要因素，提出了设计原则。制作了三个定子直径lmm微超声波电机，它们的长度为22ram，其工作频率23kHz，

    在激励电压峰一峰值为220V时，其****堵转力矩为12μN·m，空载转速为1500r／min，并测试了该电机的空载特性。

    关键词：实心柱式微超声波电机；定子振动模态；影响因素

    0引言

    超声波电机是20世纪80年代以来发展起来的新型驱动器，其工作原理是由压电陶瓷在弹性体的表面激发出椭圆运动，依靠定子和转子之间的摩擦力推动压在弹性体上面的运动体运动。

因此它具有普通电磁电机所没有的低速大转矩、动态响应快、无电磁干扰、惯性小、控制特性好、定位精度高、重量轻、结构简单等突出特点，因而在工业控制、精密仪器仪表、航空航天、汽车专用电器、智能机器人等领域中有着广泛的应用前景。超声波电机还可直接驱动负载，避免了使用齿轮变速而产生的振动、噪声、间隙以及低效率、难于控制等一系列问题。

超声波电机是一种全新的自动控制执行和驱动元件，也是一种崭新的传动形式，是对传统电磁驱动原理的突破和有力的补充。二十世纪末期以来，超声波电机技术得到了迅速发展，日本、美国、德国、新加坡、英国、韩国、意大利、荷兰、瑞士等国的许多大学和科研机构都有人在研究和开发超声波电机技术。其中，日本和美国处于世界****地位。近年来，我国在这方面也取得了长足进展。在可以预见的未来，超声波电机将在全世界范围内获得广泛的应用，并将部分取代传统的微、小型电磁电机，使人们的生产、生活更为便利.超声波电机按照其特性有很多种分类方法，按定子振动模态不同分为：行波型超声波电机，驻波型超声波电机，行波驻波混合型超声波电机；按电机自身的形状与结构可以分为：圆盘或圆环型电机，柱状电机，平板电机；按能量输出方式分为：旋转型电机，直线移动型电机等。在所有的超声波电机里，柱状弯曲旋转超声波电机被认为是最易微型化、最易细长化的超声波电机，同时由于其制备工艺相对简单，也是最容易实现产业化的超声波电机。

柱式超声波电机按定子基体材料和结构的不同又可以简单的将其分类如下：

 

 

其中压电片夹心式、压电管式和压电柱式超声波电机出现的比较早，各自都有其独特的特点，也部分在某些领域开始应用，但要再进一步实现微型化和产业化在工艺上都有难以克服的困难和不足之处。

    本文研究了实心金属柱弯曲旋转超声波电机，它的定子是由一个粘贴压电片的形状为半圆半方形的金属柱组成，具有结构简单，易于微型化的优点。并用有限元软件对定子进行分析，找出了影响电机定子振动模态的主要因素，得出了一些对定子设计有参考价值的数据。制作了三台定子直径lmm微超声波电机，并初步测试了其空载特性。

1金属柱微超声波电机的结构和原理

本论文所研究的金属柱微超声波电机，主要由定子、输出力矩的转子以及给转子加压的预压力机构和封装外壳组成，如图所示，图1为电机结构示意图，图2为组装好的电机样机照片。其封装外壳的尺寸比较大，是考虑到组装和调试的方便，其实可以做的非常小。

 

 

    该结构的主要特点是整个驱动机构罩在一个金属外套里面，上套筒通过微轴承、聚四氟乙烯垫圈给小弹簧提供预紧力。上套筒和轴之间通过小轴承连接。转子置于定子之上，是电机的动力输出部分。定子的下端直径稍大的一段金属柱做为它的夹持端，通过这一部分和固定装置相连。

    本文所述电机定子结构如图3所示。在构成定子的金属柱的侧面加工出两个相互垂直的平面，并在平面上贴上两个带有电极的矩形压电片。压电陶瓷片采用横场振动模式的PzT-4压电陶瓷长薄片，压电片在交变电压的激励下会产生长度方向上的伸缩运动。当压电片受到交变电压作用产生伸缩振动时，就会带动和它粘接在一起的金属柱作弯曲振动。

而为了改进摩擦接触界面间的压力，把定子端面加工成锥形，从而增大了接触压力，改善了，接触状况。如图3b所示，当以接近共振频率的交变电压激励x片时，定子会在x方向上激发出弯曲振动；当同样激励y片时，定子会在Y方向上激发出弯曲振动。利用这两个空间和时间上都相差90^o的弯曲振动，可以合成定子的弯曲摇头运动；此时定子端面边缘质点作椭圆运动。

 

 

定子的振动模态对超声波电机性能有重要影响，为此，必须搞清楚哪些因素会影响定子的模态。本文研究了定子的长度、固定夹持方式和两平面夹角等对定子的振动模态的影响。

2电机定子模态分析

电机设计的关键是定子设计，对其要求是使定子能够在超声频段内正常振动，并且能量转换效率又不能太低。下面我们主要从三个方面对影响定子振动模态的冈素进行研究。

2 1长度对定子振动模态的影响

长度对定子振动模态的影响主要表现在对振动频率的影响上，电机定子长径比过大时，它的共振频率就会很低，反之，就会很高。而当定子的共振频率低于20 kHz时，电机工作在非超声频段内，将会产生噪音。当定子的共振频率高于100kHz时，将会增加电能转换的高频损耗，降低电机效率，增加控制难度。所以，为了降低噪音、节省能量和控制上的方便，我们一般选择电机工作频率在20～100 kHz之间。

通过对直径为1mm，两平面夹角为90^o，不同长度的定了进行建模，并借助于ANsYs有限元分析软件对其进行模态分析，得到了它们的二阶共振频率，计算结果如表1所示：

从表中可以看出，随着定子长度，的增加，定子两个方向的固有弯曲频率f_2x和f_2y都减小，当长度为12 mm时，f_2x和f_2y比较接近。由此，我们可以推断，当用这两个频率之间的任一频率来激励定子时，会产生两个相互垂直的弯曲模态，从而使定子产生弯曲摇头运动；这就说明此定子在结构尺寸上是合理的。

2 2固定方式对定子振动模态的影响

在电机的整个结构中，对定子安装固定是非常重要的，但这势必会影响到定子振动模态的振型和共振频率，固定方式对电机定子的模态也有很大的影响，为了找寻合理实用的定子模态，我们对各种固定方式进行了尝试，图4是电机定子同定方式示意图：

在分析过程中，我们选择了两种方案：一是在四个方向紧固，并变换轴向和周向位置。二是在两个方向紧固，变换轴向和周向位置，以选取比较合理的振型和频率。

图5是我们的计算结果，从图中可以看出，定子有两个在空间上相互垂直的二阶弯曲振型，绕X轴的二阶弯曲振型和绕Y轴的二阶弯曲振型，其频率分别甩f_x和f_y表示。长度为12 mm，直径为l mm的定子的二阶弯曲固有频率f_x=2l. 315 kHz，f_y=21. 828 kHz。可以看出定子的这两个相互垂直的二阶弯曲固有频率比较接近，当用这两个频率之间的任一频率来激励定子时，会激励出这两个相互垂直的弯曲模态，从而使定子产生所需要的弯曲摇头运动；这说明本论文所采用的电机定子固定方式是合理和符合实际的。

通过分析和电机样机的组装、调试，得出以下两个结论：

(1)固定位置适合在定子固定部分1／3以上，否则会引起定子弯曲变形部分结点上移，减弱定子的振幅，并且出现偏振现象，既振动方向和x轴或y轴不是垂直的而会出现一个夹角。

(2)不适合用两个方向固定，因为这种情况下可能出现两个相互垂直的模态其共振频率之间差别较大，从而增加控制和调试的难度。

2 3两平面夹角对定子振动模态的影响

以上所述的两个平面在实际加工中，小可避免的会存在加工精度的问题，出现两个平面不完全垂直的情况，下面来分析一下当这理论上相互垂直的两平面问的夹角大小改变时，对其振型和固有弯曲频率的变化。我们仍然选择定子的直径D=1mm、长度 l，=12mm，计算结果如表2所示。

从表中可以看出，随着两侧平面的夹角φ的增大，弯曲频率f_2x和f_2y都有增大的趋势，但是两个方向上的频率f_2x和f_2y在φ=90^o时最接近；同时在定子的振型陶中还发现，两平面不相互垂直时，两个二阶弯曲振型方向不再垂直与对称轴的方向。这样定子端面质点的椭圆运动轨迹也会不一致，定转子间的能量转换效率将会下降，影响电机的输出性能

3微电机样机的特性

做出了样机，测试了定子直径为1mm微电机的基本输出特性。包括频率一转速特性、电压转速特性、相位差一转速特性。

3 1转速随频率的变化

在激励电压的峰-峰值V_p-p=222 v 下，初步测试了在两路激励电压的相位差φ为90^o时，空载转速Ⅳ随频率的变化。如图6所示。

 

 

从图中可以看出，当激励电压的频率f在14～28 kHz之间时，电机会转动，而且随着频率的增加，电机的转速先增加后降低。出现这种现象的原因是因为对于一个振动系统而占，当激励频率发生变化时，它的振动状态也会发生变化，必然导致输出特性发生变化。当激励

频率接近谐振频率时，振动会逐渐增强；当频率远离凿振频率时，振动会逐渐减弱；所以图中会出现一个极大值。

3 2转速随电压的变化

    图7是在频率,f=22 kHz时，测得的相位差φ=90^o时，电机的空载转速Ⅳ随激励电压V的变化曲线。从图中可以看出，在相位差φ=90^o时，转速都随着输入电压的增大而升高。出现这种现象的原因是，电机的定子是利用压电陶瓷片来实现能量转换的，由压电陶瓷的压电性能可知，当外加电场的电压增大时，其纵向形变也会增大，从而导致整个定子振动的振幅也随之增大。而振动振幅的增大可引起挠曲响应增大，导致定子边缘质点椭圆运动的轨迹也随着扩大，所以会使电机的转速随外加电压的增大而升高。

3 3转速随相位差的变化

图8是在工作频率f=22 kHz、电压V_p-p=220V下，测得的电机空载转速Ⅳ随着相位差φ的改变而变化的曲线。

 

 

    从图中可以看出电机在φ=90^o左右时，顺时针方向转速N达到极大值；而电机在φ=270^o

左右时，逆时针方向的转速N达到另一个极大值；当φ=0^o和φ=180^o左右时，电机的转速N为零。

    从理论上来讲，当激励电压相位差从0^o到：360^o改变时，转速图应该符合正弦规律，但图示却出现了偏差。出现这种偏差的原因可能为：电机定子的两个平面在加工时存在着误差，两平面并不相互垂直，而且整体结构关于对称轴也不完全对称，所以定子在两个方向上的弯曲振动并不垂直，而且也不同型；使定子端面质点椭圆运动轨迹不完全一致，所以转速图象偏离了理论值。

4结论

    针对电机定子振动模态的影响因素进行了理论及实验研究，找出了三个丰要的相关因素的影啊结果，得出了对结构设计和调试有指导意义的结论，制作了l台定子直径lmm超声波电机。该电机的定予为实心金属圆柱体。这种电机比压电柱电机有更犬的优点：制造成本低，结构简单，可以做的非常小，适合微型化和产业化。在工作频率f=22 kHz、激励电压V_p-p=220 v条件下，测试出该电机的堵转力矩约为T₀=12 uN·m，空载转速N=1500 r／min左右。

参考文献

[1]褚祥诚，李龙土压电超声微电机的研究压电与声光2001、23(4)：279-282

[2]羊全刚，张凯，周铁英，等弯曲旋转超声电机接触截面锥形角的分析与实验声学学报，2002，27(5)：413—419