（电机与电器专业论文）纵扭复合型超声波电机的若干问题研究.pdf

摘要 a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n gh i s t o 啪b a s i cp f i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i c s ，锄dc l a s s i f i c a t i o no f 1 e u l t r a s o n i cm o t o ri ss t a t e db r i e ny ，t l l ee v o l v e m e n to fm es t a n d i n g w a v e ，e s p e c i a l l yt 1 1 e h y b r i dl o n g i t i l d i n a l t o r s i o n a lu l t m s o n i cm o t o ri si n t m d u c e d ，m ef o l l o w i n gt l l r e ep m b l e m s a r ed i s c u s s e dm a i n l y ：m o d ed e g e n e m c ya 1 1 ds t m c t u r e ，c o n t a c tm o d e la n dn o i s e ，t h u st l l e r e s e a r c hc o n t e n ti sc o n f i m e d t h eb a s i cp r i n c i p l ea n ds t m c t u r eo ft h eh y b r i dl o n g i t u d i n a l 一t o r s i o n a lu l 订a s o n i cm o t o r i si m r o d u c e d ，t 1 1 er e s o n a n c ef r e q u e n c ye q u a t i o n so fl o n g 而l d i n a la n dt o r s i o n a lv i b t a t i o n s o fu l n a s o n i cm o t o ru s i n gt l l em a s o ne q u i v a l e n tc i r c u i ta r ed e d u c e d ，m er e l a t i o n s h i p b e t 、v e e np h y s i c a ld i m e n s i o na j l dt h er e s o n a l l c ef k q u e n c yi sg i v e n ，t l l ed e s i g nm e o r yo f l o n g i t l l d i l l a la i l dt o r s i o n a lv i b r a t o r si sf o u n d e d a - n c w - h o l l o w s t m c t u r eh y b r i dl o n g i t u d i n a j t o r s i o n a lu l t r a s o n i cm o t o ri sp u tf o n a r d w h i c ht a k e su s eo ft h ef i r s t t o r s i o n a l 一v i b r a t i o n m o d ea n dt l l el o n g h d 协a l - v i b t a t i o n - m o d e c a u s e db yf i r s t - o r d 肾r a d i a l v i b r a t i o ni nd e s i 印i n go ft h i sk m do fm o t o rt or e a l i z em o d e d e g e n e r a c 孔w h i c hh a sm a n yc h a r a c t 硎s t i c s ，s u c h 嬲，c o n v e n i e n tm o d ed e g e n e m c y s m a l l - a x i a l s c a l ea 1 1 dh i g h t o r q u e ；t h ef k q u e n c i e sa i l dm o d e so f l o n g i t u d i l l a lv i b r a t i o na 1 1 d t o r s i o n a lv i b r a t i o n sa s 、v e l la sm er e l a t i o n sb c t 、e e ns 缸1 i c t u r ea n d 丘e q u e n c ya r eg i v e nb y f e m 觚de x p e r i m e n t s 1 m ef o r c et r a i l s f c rm o d e la 1 1 da i l a ：i y t i c a lm e t h o do fm ec h a r a c t e r i s t i c si sp u tf o 八v a r df o r t l l ef i r s tt i m e f i r s to f a l lt h er e l a t i o n s i l i p sb e t w e e nt h ec o n t a c t 锄g l e ，p r e l o a d ，a i l dp h y s i c a l p a r 锄e t e r so fm c t i o n a lm a t e r i a l sa r eg i v e na c c o r d i n gt ot l l ei m p l l l s ec o l l s e r v a t i o nl a w a ) ( i a l l y ，t 1 1 em o d e lo fm “o n a lf o r c ei si m p m v e do n ，m e n 廿1 ee q 删o n sd e s c r i b i n go u t p u t t o r q u e ，a m p l i t u d e so fl o n g i t u d i n a la i l dt o r s i o n a lv i b r a t i o n ，a i l dp a r 锄e t e r so ft l l er o t o ri s d e r i v e da c c o r d i n gt ot 1 1 ep r i n c i p l et l l a t 也ew o r kd o n eb yt 1 1 el o a di se q u a lt ot l l a tb ym e d r i v i n gf o r c ei no n ev i b r a t i n gc y c l e a 1 1f a c t o r st l l a ti n n u e n c em em a ) ( i m u mt o r q u ea n d n o 1 0 8 ds p e e di sa n a l y z e d ，也ef - o m u l af o rt r a n s f e fe 伍c i e n c yo n 也es t a t o “r o t o ri m 刚k e i sd e d u c t e d ，t 1 1 er c l a t i o n s h i pb e t w e e nm ep r e l o a da 1 1 do u t p u tt o r q u ea n dt l l ee 丘b c to n 也c 廿a n s f c re m c i e n c yo nt l l e 咖t o r ，r o t o ri n t e 商c eo fo t l l e rp a r a m e t e r sa c c o r d i n gt ot h ea b o v e f o 啪u l ai sg i v e n ，t l l el o w - e m c i e n c yo f t h i s 勺，p em o t o ri se x p l a i n e d t h ec o u p l i n gp r o b l e mo fl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o no ft 1 1 eh y b r i d1 0 n g i t u d i 砌t o r s i o n a l u l t r a s o n i cm o t o ri sp r o b c d ，t 1 1 es i m p l m e dc o u p l i n gm o d e lo ft l l el o n g i t u d i 蒯v i b r a t i o n c o m b i n i n gt 1 1 em n n i n gc i r c 啪s t a n c eo ft l l em o t o fi sf o u n d e d t h ec o i n d l e xv i b r a t i o no f s t a c o ra 1 1 dr o t o ra 1 1 dt l l ee a e c to nt t l e l o n g i t u d i n a lv i b m t i o no fs y s t e mp 蝴e t e r si s i i 堂坚查兰堡主兰堡垒茎 丝塑墨鱼型丝生茎墨垫竺董王! ! 壅翌壅一 a n a l y z c d ，t h er a t i o n a l i t yo f t h ea s s u m p t i o no ft h cf o r c et r a i l s f c rm o d e l i sv e r i f j e d t h e o r y b a s i sf o rt h ed e s i g no f m o t o ri sp r o v i d e d t h en o i s ei sa n a l y z e db ye x p e r i m e n ta n df e m ，t h ec o n c l u s i o ni s ：t h e r ea r et w ok i n d s o fn o i s e f i r s t ，n o n l i n e a r i t yo ft 1 1 es y s t e me x c i t e st 1 1 e 矗a c t i o n a lh 跏o n i cw a v e s ，w h i c h r 0 0 ti nt h en o i s e s e c o n d ，t h e1 0 w - f r e q u e n c y v i b r a t i o nn o i s eo fm er o t o ri se x c i t e db y 衔c t i o n t h es t u d yc a nb eu s e 如1f o rr c d u c i n gt 1 1 en o i s ea i l dr e m o d e l i n gt h es t i u c t u r eo ft 量l e m o t o t k e yw o r d s ： u l t r a s o n i cm o t o r ， l o n g i t u d i n a l l t o r s i o n a l ， m o d e a 1 1 a l y z i n g ， m o d e d e g e n e m c y ，f e m ，f o r c et r a l l s f e rm o d e l ，c o u p l i n gm o d e lo fl o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n ，n o i s e ， m e c h a n j c a 】c h a r a c t e “s t i c i i i 浙江大学博士学位论文纵扭复合型超声波电机的若干问题研究 第一章绪论 本章简述了超声波电机的发展简史、基本原理、特点表分类，介绍了驻波型超 声波电机的发展情况，综述了纵扭复合型超声波电机研究进展，重点论述了纵扭复 合型超声波电机的结构和调谐、接触模型、噪声这三个重要问题，并提出了一些研 究思路，确定了本文的主要研究内容。 1 1 超声波电机的发展简史、基本原理、特点和分类 1 1 1 超声波电机的发展简史 1 9 6 1 年，b u l o v aw g c c hl t d 首次利用弹性力对弹性体进行激振，利用被激振的 弹性体的振动来带动钟表齿轮。这种表走时准确，每月只有一分钟的误差，打破了 当时记录，弓i 起了轰动，同时也揭开了超声波电机研究的序幕。 1 9 7 2 1 9 7 3 年，由s i e m e n s 和m a t s u s h i t a 公司研制出具有实用前景的超声波电机， 由于压电材料工作在几十k h z 的驱动频率下，振幅太小，材料不过关，不能得到大 力矩，无法推广。 1 9 7 3 年，i b m 公司的h v b a r t h 提出一种驻波型超声波电机，其力矩较大，转 速较高，但寿命较低。与此同时，前苏联的vvl a v r i n e n k o 等人也研制了具有同样 原理的几种超声波电机。 1 9 7 8 年，前苏联的i l i e v 成功地构造了一种能够驱动较大负载的超声波电机， 其特点是采用了换能器原理，降低了共振频率，扩大了共振振幅，但因种种原因都 没有实用”“。 8 0 年代以后，超声波电机研究中心由前苏联转移到了日本。1 9 8 0 年指田年生在 v a s i l i e v 的研究基础上，提出了一种楔形驻波型超声波电机。其工作频率为2 7 8 k h z ， 输入功率9 0 w ，输出转矩为0 2 5n m ，机械输出功率为5 0 w ，这是第一个满足了实 际使用要求的电机，但该电机存在两个缺点：一是振动片与转子接触处磨损严重， 二是转子转速较难控制，仅能单方向旋转。后为解决此问题，指田年生在1 9 8 2 年又 提出了行波型超声波电机。 1 9 8 2 年指田年生研制的行波型超声波电机，定子由两组压电片和带齿弹性体组 成，转子以一定压力与定子接触。两组压电片在定子弹性体环中激励并叠加成行波， 定子弹性体表面质点做椭圆运动，移动体转子以一定压力与定子弹性体波峰接触， 通过摩擦力驱动做旋转运动。行波型超声波电机实现了由定点定期推动转子变换成 多点连续不断地推动转子，大大地降低了接触面上的摩擦和磨损，这为超声波电机 走向实用开辟了道路，这种电机的商业应用是在1 9 8 7 年( 正式销售) ，同时，指田 年生也创建了新生工业公司，这是超声波电机从实验走向商业应用的一个标志。同 第一章绪论 年，日本佳能公司研制出了第一台用于相机自动变焦的环状超声波电机，在照相机 业界为之一振。 随着行波型超声波电机成功的商业化应用，引起了各国的学术界和产业界对超 声波电机进一步的认识和重视，新原理新结构的超声波电机不断出现，极大地推动 了超声波电机的研究和发展。 1 1 2 超声波电机的基本原理 超声波电机( u l t r o i l i c m o t o r ) 是由高频驱动电源( 其工作频率通常大于2 0 k h z ) 和电机本体两部分组成，它是一种涉及到压电材料、力学、机械、摩擦、电力电子 和控制理论等多学科的典型的机电一体化产品。其本体由定、转子组成，定子由通 过极化的压电陶瓷和金属弹性体组成，转子一般由金属材料组成，并在其接触表面 粘接摩擦材料，以提高出力，增加耐磨性。通过压电材料的逆压电效应使交流电信 号转变成定子表面产生超声频率的机械振动，转子与定子的相互压紧，借助于定、 转子之间的连续或断续的接触及带来的摩擦力，实现将定子表面质点交变的机械振 动转变为转子单方向的直线运动或旋转运动。超声波电机的高频驱动电源则要求其 能保证超声波电机工作在机械系统谐振状态，以实现最大的电气一机械能的转换效 率，并且要求当温度变化时，随着机械系统的谐振参数的变化，电气系统的驱动频 率也要作相应的跟踪，保证超声波电机工作在最佳工作状态。 l 1 3 超声波电机的特点 超声波电机的驱动机理决定了其具有如下特点( 接触型) ： 结构简单，体积小，重量轻，转子惯量小； 力能指标高，低转速，大扭矩； 力矩波动小，转速均匀，工作可靠； 反应速度快，可瞬时起停，电机能在运转中改变旋转方向； 运行在超声频域内，无噪声，宁静运行； 电机本体运行中不产生磁干扰，亦不受磁场的影响； 具有断电自保持功能； 靠摩擦实现能量的耦合传递，不存在润滑问题： 可不带齿轮减速机构直接驱动，避免由此产生的噪声、振动、正反转向间隙和传 递误差，提高了系统精度，简化系统结构。 l - 1 4 超声波电机的分类 无论是行波型，还是驻波型超声波电机，都是利用压电陶瓷元件的逆压电效应 激发的超声振动，通过振动合成媒质质点的椭圆振动轨迹，质点的振动依靠弹性体 谐振进行放大，借助摩擦力或媒质压力耦合到移动体( 转子或滑块) ，驱动移动体做 浙江大学博士学位论文纵扭复合型超声波电机的若干问题研究 旋转或直线运动。因此，各种形式超声波电机可统一定义为：在超声频域范围内， 利用压电元件激发出弹性体表面质点的椭圆振动轨迹，通过弹性体谐振进行振动放 大，直接( 接触型) 或间接( 非接触型) 地对转子或滑块连续( 行波型) 或断续( 驻 波型) 地施加作用力，驱动其做旋转或直线运动的一种薪原理电机。 u s m r 按结构和运动形式壤羹茎= 行波型 按驱动媒质或弹性体p 帅m 【麓凳粼：m 按驱动媒质或弹性体障触型u s m 与移动体接触情况l 、e 接触型u s m 表1 1 超声波电机的分类 1 2 驻波型超声波电机的特点、分类和发展简史 1 2 1 驻波型超声波电机的特点 驻波型超声波电机是利用在弹性体内激发的驻波，驱动移动体移动。单一的驻 波其表面质点作同相振动，不能够传递能量。驻波型超声波电机通过激发并合成相 互垂直的两个驻波，使得弹性体表面质点作椭圆振动，直接或间接驱动移动体运动 而输出能量。由于驻波型超声波电机弹性体表面质点作等幅同相振动，驱动媒质与 移动体的接触或驱动力按时间分布，这是驻波型超声波电机的一个显著特点。 1 2 2 驻波型超声波电机的分类和发展简史 驻波型超声波电机根据激励两个驻波振动的方式不同，又可分为纵扭振动复合 型超声波电机和模态转换型超声波电机。纵扭复合型超声波电机是采用两个独立的 压电振子分别激发互相垂直的两个驻波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹： 模态转换型超声波电机仅有一个压电振子激发某一方向的振动，再通过一机械转换 振子同时诱发一个与其垂直的振动，二者合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹，驱 动移动体运动。机械转换振子可以作成不同的形状，典型的有单梁耦合振子、楔形 型 型 合 换 复 转 扭 奄 纵 模，、l 驻式个方 两的 励动激振按波 岛 m m s s u u 型 型 线 转 直 旋 弋 形动 一还 和构结其按 ，0 波 驻 4 浙江大学博士学位论文纵扭复台型超声波电机的若干问题研究 1 9 8 5 年日立m a ) ( e l l 公司筑波研究所熊田明生( a h o k u m a d a ) 博士发明了改进 型的驻波超声波电机，采用机械扭转连接器取代楔形振动片，借助扭转连接器将压 电振子产生的纵向振动诱发出扭转振动，两种振动在扭转连接器前端合成质点椭圆 运动轨迹，驱动转子旋转。这种电机转速达到1 2 0 ( r ，m i m ，输出转矩1 3 n m ，能量转 换效率为8 0 i 】“，超过传统电磁型电机。该超声波电机结构及其所采用机械扭转连 接器，如图1 3 所示。熊田明生发明采用机械扭转连接器诱发扭转振动的超声波电机 后，各国的大学和研究机构开展了大量研究，提出许多新型的超声波电机，其中大 部分是采用一个纵振子，利用不同结构的机械纵扭转换振子耦台诱发扭转振动，纵 扭振动合成接触表面质点的椭圆振动轨迹，通过摩擦耦合，驱动转子做旋转运动。 l a n g e v i n 振子 转子 扭转连接器 前盖板 压电片 后盖板 图1 3 采用扭转连接器的超声波电机 ( 3 ) 斜槽转换振子 与此同时，日本神奈川大学( k a n a g a 、怕u l l i v e 商谚) 的j i r o i r m n l 等人1 发明了一 种带斜槽的机械纵扭转换振子，并制作了样机，其结构如图1 4 所示。纵扭转换振子 为圆筒形，在其中部外圆周采用电火花加工出1 2 至1 8 条宽o 5 m m 、倾角为4 5 。的 斜槽。该机械转换振子安置在纵振动节点位置，压电振子激发的纵振动传播到转换 振予斜槽部位时，同时诱发出扭转振动，在纵扭转换振子与转子接触的端面上合成 质点的椭圆振动轨迹。直径1 5 m m 的超声波电机样机，在6 0 k h z 驱动频率下，获得 最大转速5 5 0 ( r m i n ) ，转矩0 3 n m ，最大效率2 0 。此后，j i r o m a m 等人又制作了相 同结构直径1 5 、4 0 、5 0 和6 0 n l i n 的超声波电机样机，驱动频率范围为5 6 2 3 l ( h z ， 获得0 3 、1 1 、1 7 和2 3 n m 转矩。 第一章绪论 法兰盘压电陶瓷环 纵振子带斜槽转换振子转子 碟簧 图l - 4 采用斜槽纵扭转换振子的超声波电机 ( 4 ) 三梁纵弯扭耦合振子 在9 0 年代我国清华大学周铁英教授等人【s l 针对熊田明生发明驻波旋转超声波电 机由单梁支撑转子，在低速时运行不稳定，提出了三梁纵弯扭( u t ) 耦合振予， 如图l - 5 所示，该纵扭耦合子中部为一中心固定的圆盘，一侧为均布的三条腿，与纵 振动l a n g e v i n 振子接触，另一侧为三个沿圆盘均布的梁支撑转子，两侧的梁与腿交 叉分布。当腿做纵振动时，圆盘弯曲振动，雨三个梁做扭转或弯曲振动，梁的顶部 质点作椭圆振动，驱动转子作旋转运动。图中给出了l b t 振子的有限元模型及其扭 转模态。此超声波电机的l b t 振子外径为1 8 。6 m m ，工作频率9 0 7 k h z ，驱动转矩 1 0 0 9 f c m ，转速2 0 0 ( r m i n ) ，性能平稳，性能优于同样尺寸的采用单梁扭转连接器耦 合振子的驻波超声波电机，而且通过采用高阶模态达到控制转子旋转方向。 脚 f e m 模型l b t 模态 图l 一5 三粱l b t 振子 与行波型超声波电机不同，驻波型超声波电机结构形式多样，有的采用模态变 换振子，如上述的斜槽形式，三脚梁形式；有的采用纵扭振子复合，设计复杂且没 有固定统一的设计思想。其中综合性能较好的为纵扭复合型超声波电机，以其大扭 矩体积比和优良的可控性等特点受到国内外研究机构的重视，成为近年来超声电机 的研究重点之。 浙江大学博士学位论文纵扭复合型超声渡电机的若干问题研究 1 3 纵扭复合型超声波电机研究进展 纵扭复合型超声波电机的研制始于8 0 年代，到目前为止，其结构种类己不下于 几十种。纵扭复合型超声波电机含有两个p z t 振子纵振子和扭转振子，纵、扭 转振子分别激发出两个相互垂直的振动，两种振动可单独调节，互不耦合。纵扭复 合型超声波电机具有输出力矩特别大、可控性强、正反转特性一致、低速稳定性好、 动态响应性能好等特点，现已倍受关注。下面从调谐的角度概述纵扭复合型超声波 电机研究进展。 纵扭复合型超声波电机比其他超声波电机更具有低速大力矩的特点。由于需要 纵扭同频振动共同作用，为使两振动的振幅都较大，电机工作在纵扭振动的谐振点 或接近谐振点，所以必须使电机结构的纵扭两振动谐振点一致或接近，这就是纵扭 复合型超声波电机的调谐问题。 由于纵、扭振动在定子的声传递速度不同，造成纵、扭振子的谐振频率不同， 对于等截面定子，同阶谐振频率纵振大于扭振，一般为1 6 倍。另外，也很难用其纵、 扭振子的高阶频率，因为频率一高，定子表面的振幅很小，使得转子无法把定子振 动能量通过摩擦接触面取出。下面就以调谐方案的不同介绍纵扭复合型超声波电机 的研究进展。 方案1 、日本东京工业大学上羽贞行( s u e h a ) 教授等人在1 9 8 7 年提出的0 1 ， p z t 单元 扭转p z t 振子 喇1 6 上羽发明的复合型u s m 其结构如图1 6 所示，包含两个压电振子纵振子和扭振子，扭振子采用夹心式结构， 由弹性体和压电片构成，振动波长为半波长，工作在谐振状态，组成纵振子的叠层 压电陶瓷片粘接在定子端部，工作在非谐振状态下。纵扭振子分别受外加高频电源 驱动，改变两驱动电源的相位差可控制超声波电机速度。该样机直径2 0 m m ，最大转 矩3 k g f c m ，扭转振子效率达到4 0 ，整个电机效率2 l 。这种电机具有低速稳定性 好、正反转性能良好且易于实现大力矩输出，并引起了广泛关注。其工作在扭振子 一阶谐振频率上，而纵扳子则通过叠层压电堆使其有较大的纵振振幅，但这种压电 堆的粘接困难，且因承受剪力作用，有强度问题。 方案2 、1 9 9 2 年，山形大学( y 舡n a g a t a u n i v e r s i t y ) 的m a l l a b u a o y a g i 等人将纵、 舀 第一章绪论 扭压电振子分别置于超声波电机样机的定子和转予中【1 2 。14 1 ，如图1 7 所示。纵振动压 l y l v j 转子定子 图1 - 7m 啪d b u a o y a 画设计的复合型超声波电机 电陶瓷片夹于弹性体问构成夹心定子，扭转压电陶瓷片与弹性体组合成夹心转子， 考虑到定转子间摩擦的影响，分别计算各自的谐振频率，使得纵扭谐振模态简并较 容易达到，但给转动部分施加驱动电压使得电机可靠性降低，绝缘问题复杂化。样 机直径4 0 m m ，驱动频率3 3 7 k h z ，最大转矩1 4 n m ，空载转速8 3 8 ( r m i n ) ，负载为 o 9 2 n m 时，最大效率为1 3 1 。这种电机，因转子需要电刷导电使结构相对较复杂， 电机结构尺寸也较长，而且实验结果表明并不十分理想。 方案3 、而另一种方法则是引用纵扭压电超声换能器的设计方法，利用纵扭声 波在不同截面中传递速度的不同设计成变幅杆达到调谐的思路，如图1 8 所示。 但压电超声换能器的设计思路关注把振动能量集中到一点或微小局部( 往往变幅杆顶 端的直径与压电片的直径相比小很多) 图1 - 8 夹心式纵扭复合模式超声换能器 方案4 、相似地，可以采用定子阶梯轴结构来降低纵振频率提高扭振频率1 6 1 ， 这样定子表面的轴径要比压电片的直径小，如图1 9 所示。这种结构提高了电机的转 速，但降低了电机的力矩，而对超声波电机要得到大力矩尽量要把振动能量传到大 的圆环上。 浙江大学博士学位论文纵扭复合型越声波电机的若干问题研究 图1 9 定子为阶梯轴结构的纵扭型超声电机结构示意图 方案5 、另外，通过配重块来调节纵振动频率亦是一法【1 7 l ，如图1 1 0 所示。但 使系统的质量增加。 恻1 1 0 加配重块的定子 方案6 、而我们则提出了一种具有中空结构的新的纵扭复合型超声波电机，其 工作原理利用了一阶扭振动和一阶径向振动( 引起的纵向振动) 模态，用有限元法 和实验结果阐述了其振型及其调谐思路，具有调谐容易，实现方便等特点，而且研 制的电机具有力矩大，轴向尺寸小等优点，具体思路在第三章介绍。 纵扭复合型超声波电机和其他电机相比，特点是力矩质量比大，适合制作大力 矩超声波电机，可用于直接驱动具有广阔的市场前景，日本研制的直径1 2 0 m m ， 堵转力矩4 0 n m 和浙江大学研制的直径8 嘶m ，堵转力矩1 3 n m 的纵扭复合型超声波 电机都是成功的范例。通过这些年来的努力，对纵扭复合型超声波电机已进行了方 方面面的研究，研究水平已达到了一个较高的层面，以下简述有关纵扭复合型超声 波电机各方面的研究进展，重点对制约纵扭复合型超声波电机产业化的几个关键科 9 吐虹虹吐 第一章绪论 学问题，如调谐、接触模型与特性计算、噪声问题等进行剖析。 1 4 纵扭复合型超声波电机的若干问题 纵扭复合型超声波电机要比行波型超声波电机复杂，其定子的两相振动参数是 不相同的，而且存在调谐问题，且定转子接触是高频断续的面接触，但目前在电机 结构设计、驱动控制和材料工艺上也取得不少迸展。 结构设计方面。文献1 9 卜探讨了纵振动压电片两端预应力的控制问题，文献【2 喊 探讨了压电陶瓷的极化和粘接工艺问题，文献1 2 4 。2 8 】分析和研究了压电片的等效电路 和频率特性，文献【2 ”2 】对多层压电片的谐振特性进行了理论推导和实验研究。文献 【3 3 】介绍了近1 0 年来压电陶瓷材料在高品质高稳定性方面的发展概况、研究水平及最 新进展。综合以上的研究成果，可设计出纵扭振动压电陶瓷晶片。文献口4 】推导了夹 心式换能器各种性能参量的几何表达式，并据此分析了夹心换能器结构与材料参数 对其性能的影响。文献1 1 5 j 5 3 s 1 推导了夹心换能器的纵扭振动共振频率方程。上述研 究对探讨纵扭复合型超声波电机的数学模型、夹心定子内部纵扭振动压电陶瓷晶片 的安装位置等有一定的参考意义。 结构设计中有一个重要问题是压电片的夹持位置，选择不当将造成能量在夹持 位置损耗。夹持位置应该尽量选择在振动节平面上，由于大多数纵扭复合型超声波 电机都采用一阶纵振和二阶扭振共振模态，设计上很难使扭振和纵振的节平面重合。 通过有限元建模、分析，可以得到纵扭振动的轴向振幅分布，由此选择一个纵、扭 振幅都比较小的位置进行夹持。更好的办法是采用一阶纵振和三( 或一) 阶扭振模 态，电机采用对称结构，这时纵振节面与扭振节面位羲相同，是最佳的夹持位置， 但是设计这种电机结构具有相当的难度。选择内部或轴夹持也是一些非轴输出超声 波电机的成功夹持方法。 另一个问题是预压力大小的选择。复合型超声波电机同样存在预压力的优化问 题，在保证输出转矩所需的预压力下，预压力不仅对纵振动谐振频率有影响，在较 大预压力下，对扭转振动谐振频率亦产生一定影响。当纵振动相对较弱时，会出现 速度为零的情况。 驱动控制方面。目前超声波电机驱动电路的设计主要有以下两种思路d 9 弗】：1 ) p w m 控制：2 ) 锁相环原理，其中p w m 控制电路的应用最为广泛。超声波电机以 动态响应快著称，行波型超声电机的响应时间大约为一百多毫秒i 幅4 9 】，且电机的起 动特性与预压力有关，预压力越大，响应时间越短，而纵扭复合型超声电机的动态 响应特性更快，起动和关断时间为几十毫秒f 5 0 】( 可能更快) 。超声波电机位置和速 度的控制必须采取闭环控制方式，主要原因是由于超声波电机具有很强的非线性， 其特性随驱动条件变化而变化，很难建立成熟统一的控制模型。超声波电机的速度 控制主要是通过调频、调幅和调相来实现。其位置控制类型分为轨迹跟踪和定点定 1 0 渐江大学_ 瞎士学位论文纵扭复合型超声波电机的若干问题研究 角度控制两种。轨迹跟踪通常与控制策略结合，超声波电机的控制策略包括p i 控制、 自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制及这些控制策略的组合。文献1 5 。”j 在对 行波形超声波电机的位景控制实验中，分别应用p i 控制、自适应控制、模糊控制和 神经网络控制等控制策略，这些控制策略的优点在于能跟踪不预期的轨迹，但精度 不高。定点定角度控制，主要基于超声波电机动态特性快和具有步进驱动的特点。 文献【5 7 1 采用步进驱动的原理对行波型超声波电机进行了定位控制，实验中每步步距 为o 1 5 度，周内的误差小于0 1 5 度。利用步进驱动的特性对超声波电机进行精密 定位，关键是提高编码器的分辨率。对于纵扭复合型超声波电机，同样具有步进驱 动的特性，另外，从上面的分析可以看出，纵扭复合型超声波电机的动态特性要快 于行波型超声波电机，因此其定位精度也应高于行波型超声波电机。 另外，为提高纵扭复合型超声波电机的输出力矩，需保证定子表面质点纵扭振 动相位差为万2 ，由于纵、扭振动的参数不一致，使得驱动电源的初始相位差难以计 算，只能通过试验迸行优化。 摩擦材料和工艺方面。由电机的结构可知，超声波电机是通过接触面的摩擦将 定子的振动传递给转子，若没有摩擦材料，一则摩擦系数小，定子振动不能有效地 传递到转子，弹性体易于磨损，影响接触，且产生噪音；二则由于超声波电机一般 工作在大振幅状态，相同的弹性体材料容易发生冷焊现象，类似超声焊接，导致电 机不能正常工作。因此，超声波电机定转子问的接触面必须采用摩擦材料层。研究 超声波电机摩擦材料的文献很少，讨论纵扭复合型超声波电机用摩擦材料的文献至 今尚无，因此找到与电机相匹配的摩擦材料是纵扭复合型超声波电机研究的一个重 点。摩擦系数较大的材料，使用时往往会有粉末析出，影响定、转子间的摩擦。应 尽量选择硬度适中，耐磨、长时间摩擦没有粉末或颗粒析出的材料。根据经验，纵 扭复合型超声波电机摩擦系数一般选择o 2 o 3 。另外，摩擦材料的好坏与电机寿命 的息息相关，研究超声波电机的寿命问题也十分重要。 超声波电机定子表面振幅仅微米量级，压电片表面振动幅度更是微小，因此， 金属背衬和压电片接触面的加工精度对超声波电机的性能有直接影响，电机的其它 各个接触表面，也对电机性能有重要影响。试验表明【5 8 l ，所有接触面须经过充分研 磨，使其紧密结合。 目前，从超声波电机的研究发展和应用趋势来看，始终围绕着大力矩化和高精度化( 高 控制性能) 等实用化方向。由于纵扭复合型超声波电机更具有低速大力矩的特点，其结构 原理有别于传统结构，是由纵、扭振动等效电路参数不同的纵、扭振子组成的复合振子， 纵、扭振动可单独控制，且定转子的接触形式为高频断续的整个面接触，这与行波型超声 波电机的两驻波等效电路参数相同和连续的局部波峰接触不同，相比要复杂得多，是超声 波电机研究的难点和热点问题。通过近十年来的努力，国内外已基本掌握这类电机的基本 原理、简单数学模型、定转子设计和驱动电源等，但目前要提高性能走向应用还存在很大 第一章绪论 的障碍，要真正实用必须在三方面有突破，一是从结构上解决调谐困难的问题，提出结构 简单紧凑的电机：二是目前的设计主要依赖于经验，其数学模型和设计理论尚未确立，特 别是考虑定转子耦合和负载耦合的系统模型，需要研究纵扭复合型超声波电机的接触模型 和特性计算方法；三是解决高频断续的面接触的摩擦所带来噪声问题，针对这三个关键问 题，就目前的进展分析如下： ( 1 ) 电机结构和调谐 因这种电机是复合振子，要使纵、扭振子在某一工作频率激振下定子表面都有较大振 动，必须使纵、扭振子的谐振频率一致或接近，这就是调谐问题。但由于纵、扭振子的声 传递速度不同，造成纵、扭振子的谐振频率不同，一般情况下( 对于纵、扭振子复合的等 截面定子) ，其同阶纵振动频率与扭振动频率之比约为1 6 倍，另外定转予相互压紧，转子 的结构和质量以及压紧力大小对定子纵扭谐振动频率也有影响，且影响的大小不一样，所 以实际调谐问题很复杂。另外，也很难利用其纵、扭振子的高阶谐振频率( 如纵振动2 阶 和扭振动的3 阶，这时能使谐振频率接近) ，因为频率一高，定子表面的振幅很小，使得 转子无法把定子振动能量通过摩擦接触面取出，所以最初研制的这种电机，其工作在扭振 子一阶谐振频率上，而纵振子则通过叠层压电堆使其有较大的纵振动振幅，但这种压电堆 的粘接困难，且因承受剪力作用，其强度亦成为问题。一种方法是通过定子作为纵振子( 亦 可扭振子) ，转子作为扭振子( 或纵振子) ，其定转子( 纵、扭振子) 可根据需要的工作频率分 别设计，调谐不是问题。这时，转子工作需要电刷导电，但这种电机的结构相对复杂，而 且根据研究结果表明并不十分理想。而另一种方法则是引用纵扭压电超声换能器的设计方 法，利用纵、扭声波在不同截面中传递速度的不同设计变幅杆的思路，但由于压电超声换 能器往往关注把振动能量集中到一点( 变幅杆顶端的直径与压电片的直径相比小得多) ，采 用阶梯结构，这样定子表面的轴径要比压电片的直径小，提高了电机转速，但刚氐了电机 的力矩，而对超声波电机而言，要得到大力矩尽量要把振动能量集中到大的圜环上。另外， 缩颈结构亦是一法，也有采用个纵振子，在其定子上开斜槽，部分转换纵振动模态的模 态转换型，但性能也不十太理想。我们提出的定子结构外直径与压电片是一致的，内部则 是中空的结构，采用一些措施后，纵、扭振动的一阶谐振频率相差仅1 1 5 倍左右，而且根 据需要还可作调整，效果较理想。因此，对这种中空结构的纵扭复合型超声波电机的调谐 思路必须有明确的解释。 ( 2 ) 接触模型 定转子接触界面的摩擦机理长期以来都是纵扭超声波电机的研究重点，文献 垆蛐6 】对纵扭复合型超声波电机的力传递模型进行了研究，但文献中给出的力传递模 型有以下两点明显的不足：1 ) 由于忽略定转予接触面之间复杂的冲击碰撞过程，不 能真实地反映电机定转子表面之间的接触过程；2 ) 该力传递模型不能反映出对摩擦 材料的厚度、弹性模量等参数的要求，而这些参量对电机的输出力矩和电机的寿命 有直接的影响。针对以上不足，郭海训等人【印】提出了描述定转子间断性接触的力传 渐江大学博士学位论文纵扭复台型超声波电机的若干问题研究 递模型，利用轴向采用冲量守恒定律建立了接触角关系式，并用一般摩擦力模型， 运用周向每振动周期内所作功相等的原理，建立了纵扭复合型超声波电机的机械特 性关系。所采用的摩擦力模型： e ： ! ? l ( v v 卅) + 从】”v 卅 ( 1 1 ) f= ij 。l ， 1 ” l 【毛( v v 。) 一从】v 。 式中，从为静摩擦系数，七】为对应的动态摩擦系数，v 为定子表面质点的速度， v 。为转子的速度，为定转子之间预紧力。仿真和实验结果表明，采用此模型后， 其机械特性的走势与实验是符合的，但具体的特性曲线与实验结果不十分一致，仿 真结果为条弯曲的曲线，但机械特性的实验结果为近似一条直线，仍需改进。 哈工大曲建俊教授【6 8 】研究了无摩擦材料的定转子刚体摩擦碰撞过程指出：一般 地，转子与定子的接触状态取决于所加预压力的大小。如果所加预压力足够大，那 么转子和定子可能在整个振动周期内始终保持接触。如果所加预压力较小，那么转 子将在定子振动的某一时刻与定子脱离。如果预压力很小，甚至会出现转子被抛起 后，定子振动了数个周期，转予才落下并与之再次接触，这将导致驱动效率严重降 低，应当避免。但模型【6 8 】只能解释所加预压力使转子脱离定子后，在一个振动周期 内就再次与定子重新接触的情况。其它情况都不能作出合理解释。 目前电机设计( 特别是频率调谐和压电片的位置寻优) 都是基于初步理论，最后靠实验 加经验，对转子的设计( 如压紧力和摩擦材料) 更是缺乏理论依据，其根本原因是因为缺乏 对定转子耦合和负载耦合的系统模型的了解，国内外迄今一直没有解决这个问题，这方面 尚需进一步研究微观接触模型，特别是定转子的能量流动关系、接触面的力传递和定转子 的运动过程，在此基础上，考虑负载的耦合，宏观研究系统的机电耦合问题，建立电机的 电输入与速度力矩输出等关系的系统模型，在此基础上进行结构优化设计，形成这种电机 系统的理论和设计方法。 ( 3 1 噪声问题 纵扭复合型电机工作时会产生较大的摩擦噪声，这影响了这种电机的推广使用， 噪声问题也是目前一般驻波型超声波电机应用时会遇到的问题，为降低或消除这种 摩擦噪声【6 9 j ，必须研究其产生的机理。超声波电机的噪声一般是由于压紧力较大， 而引起的摩擦自激振动所致噪声，文献【_ m 1 研究表明：对于弯曲振动模式的压电超声 波电机，转子摩擦材料、转子与定子之间的压力、工作频率、电路匹配等因素对马 达运转噪声和电机特性都有影响。文献【7 1 1 和文献【7 2 1 主要对行波型超声波电机转子摩 擦材料的厚度、各向异性对驱动性能的影响，摩擦材料的磨损特性，转子摩擦材料 的选择等方面进行了研究。由于纵扭复合型超声波电机其摩擦传递方式是高频断续的面 接触( 这也是电机大力矩的根源) ，是一种很典型的摩擦传动方式，且我们研究的电机结 构是相对复杂的中空结构，其噪声机理研究亦有意义，是改进电机结构和刚氐噪声等工作 第一章绪论 的基础。 1 5 本文研究的主要内容 纵扭复合型超声波电机是超声波电机中最复杂的一种电机，也是目前所有超声 波电机中力矩最大的一种，无需减速机构，可直接驱动，有很广的应用面，且其蕴 含的科学问题较多。本论文重点研究三个关键理论问题，一是纵扭复合型超声波电 机的结构及其调谐问题；二是研究纵扭复合型超声波电机的定转子动力耦合和负载 耦合的系统模型，建立力传递模型和特性计算方法；三是研究这类电机的摩擦噪声 机理。通过这三个互相关联问题的研究，期望进一步形成纵扭复合型超声波电机的 系统理论和技术，实现纵扭复合型超声波电机的高性能化。 本文主要研究内容为： ( 1 ) 研究纵扭复合型超声波电机的结构和调谐问题，提出了一种具有中空结构 纵扭复合型超声波电机，用有限元方法( f e m ) 和实验，分析了电机利用 的模态，并分析结构尺寸和转子压紧力对纵扭谐振频率的影响。 ( 2 ) 分析现有的纵扭复合型超声波电机的力传递建模方法之优缺点，结合电机 定转子振动耦合和负载耦合。建立更全面和准确的纵扭复合型超声波电机 数学模型，实现电机的特性计算，反映电机定转子参数对电机性能的影响。 ( 3 ) 详细分析电机定转子工作时的力接触传递过程模型，研究纵扭复合型超声 波电机纵振动耦合简化模型，详细分析了各种振动情况，进一步了解了系 统参数对纵振动的影响，证实了假定转予不动的妥当性和相关条件。 ( 4 ) 分析纵扭复合型超声波电机的的噪声产生机理。通过不同参数下如不同预 压力和不同激励频率下电机噪声的实测分析比较，并结合定、转子振型的 有限元计算结果，研究纵扭复