一种纵弯复合型超声波电动机的设计与分析

胡百振，张建坤，项家骏，谭 坤 ，逄浩君

(上海航天控制技术研究所，上海201109)

0 引 言

随着导弹、飞机、运载火箭、人造卫星等航天航空技术的发展，需要一种结构简单、重量轻和没有电磁干扰等要求的一种电机，超声波电动机就是其中一种。该电机有以下特点:结构设计简单、输出力矩大、速度低，能够快速响应和定位［1－2］。超声波电动机的分类有多种，从电机的振动模态和模态组合形式，超声波电动机可以分为复合型超声波电动机［3］、驻波型超声波电动机［4］、行波型超声波电动机［5］。纵弯复合型超声波电动机构设计灵活、模态组合方案丰富等优点，所以有许多学者开始研究纵弯超声波电动机。陕西师范大学的李小平提出了一种纵弯复合模式多自由度超声波电动机［6］;哈尔滨工业大学的石胜君于提出了一种大推力纵弯复合直线超声波电动机［7］;陈维山等人提出了一种纵弯复合平面超声波电动机［8］。以上纵弯超声波电动机换能器分别有纵振陶瓷片和弯振陶瓷片组成，故需两路不同的电路来激励出两种不同的振型，进而必须对两路电路分别进行设计匹配，这样就会给驱动电路的设计带来麻烦，并且电机结构设计复杂。

针对原有的纵弯超声波电动机的缺点，本文介绍一种新型纵弯复合型超声波电动机，它具有结构简单、匹配电路简单、输出力矩大等优点，介绍了电机的结构并对其运行原理进行分析，采用ANSYS进行模态简并和瞬态分析，最后制作样机并测定其输出特性。

1 电机结构

图1为纵弯超声波电动机的二维示意图。该电机是由支撑座、支架1、支架2、罩壳、动子转接环、轴承、预压力调节螺母、力矩输出轴、换能器组件等组成。换能器组件包括4个纵弯超声换能器，4个纵弯换能器均匀固定在电机壳体上，纵弯换能器由两个指数变幅杆，振动陶瓷片，支撑板等构成，换能器结构如图2所示［9］。该电机的预紧力通过预压力矩形弹簧来调整，电机的换能器通过氧化铝陶瓷转递给转子，从而输出机械运动。

图1 超声波电动机结构

图2 换能器结构示意图

2 电机的运行原理

本文设计的纵弯超声波电动机由4个纵弯超声换能器组成。该电机的运行原理:4个换能器设计为两组不同的驱动电路，相对着的2个纵弯超声换能器为一组驱动电路，运用振动陶瓷片的微小振动耦合成换能器的纵向和弯曲振动，通过改变输入信号，实现超声换能器驱动足表面的质点运动轨迹为椭圆运动，通过预紧力实现驱动足和动子之间的接触摩擦，从而把换能器的微小运动转换为动子的运动输出。通过变换输入信号的相位差值，可以实现电机动子反转和改变椭圆轨迹的形状，有效改善驱动质点振幅，增加接触时间。图3为电机纵弯换能器运动的振型图。

图3 一个周期换能器振型

3 电机设计与分析

3． 1换能器的模态简并

纵弯超声波电动机的设计关键就是换能器的模态简并，模态简并主要实现在一个频率下的纵向振动和弯曲振动。本文将应用ANSYS对换能器有限元模型进行模态分析，在20 kHz以上频率范围找到所需要的纵振和弯振振型，实现在一个频率下只存在纵向振动和弯曲振动。通过调整对频率影响比较大的结构参数，实现换能器纵弯模态的简并。图4分别是换能器的弯振模态和纵振模态，纵弯特征频率都在30．6 kHz左右。

图4 换能器振型

3． 2换能器的瞬态分析

本文采用ANSYS对换能器模型进行瞬态分析，研究超声换能器的运动轨迹。给超声换能器上施加两相交流电压，该电压的频率为30．7 kHz，相位差1/4周期，电压有效值为240 V。利用ANSYS的时间历程后处理(POST26)得到换能器驱动足表面质点(节点26564)在30个周期内的位移－时间变化曲线如图5所示。由图5可以看出，在t=0时刻，X和Z方向的位移都为零，没有位移突变的产生，随着外界激振的进行，X和Z方向的位移呈周期性变大的趋势，当t=0．95 ms时，X和Z方向的位移均达到最大值，换能器的振动达到平衡，电机正常工作。利用有限元软件ANSYS得到观察点在Z－X平面内的运动轨迹，如图6所示。由图6可以看出，换能器质点的运动轨迹说明振子在激振开始时轨迹为不完整的椭圆，随着外界激振的进行，换能器质点在Z和X方向的位移同时达到最大值，换能器质点的运动形成完整的椭圆运动轨迹。此时换能器达到平衡，超声波电动机实现稳定的运行。

图5 换能器质点的位移－时间变化曲线

图6 换能器质点在Z－X平面内的运动轨迹

4 电机实验测试

根据以上分析得到的电机结构参数，制作出换能器和电机的原理样机，换能器和电机原理样机及实验平台分别如图7所示。下面通过实验来测试电机的机械输出特性。

图7 超声波电动机及实现平台

为了研究电机的转速随电压变化而变化的规律，给电机施加频率和相位差恒定的交流电，电机的预紧力为370 N，测试电机在不同电压有效值下电机的输出转速，如图8所示。电机的空载转速随着电压有效值而增加，当电机激励电压值为375 V，其空载转速为48 r/min。

为了研究电机的转矩和转速随电机预紧力变化的规律，给电机施加频率、电压有效值和相位差恒定的交流电，测试电机在不同预紧力下电机的输出转矩和转速，如图9所示。由图9可知，电机的预紧力越大，电机的转速越小。电机的最高转速可以达到96 r/min，电机的最大输出转矩可以达到3．8 N·m。

图8 电机转速随电压变化的关系

图9 不同预紧力下电机转矩和转速

5 结 语

本文研制了一种纵弯超声波电动机，介绍了电机的结构并且对其运行原理进行了分析，该电机由4个超声换能器组成。应用有限元法对换能器进行有限元分析，完成了换能器纵弯模态匹和瞬态分析，通过瞬态分析得出电机的运动轨迹为椭圆，通过实验对电机进行了机械输出特性测试，得到电机的最大转速可以达到96 r/min，转矩可达到3．8 N·m。

［1］ 赵淳生．超声波电动机技术与应用［M］．北京:科学出版社，2007:1－10．

［2］ 陈维山，刘英想，石胜君．纵弯模态压电金属复合梁式超声波电动机［M］．哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2011．

［3］ 袁松梅，刘明．纵－扭复合超声振动加工系统设计及频率简并研究［J］．振动与冲击．2016，35(5):8 －12．

［4］ 蒋春容，张津杨，陆旦宏等．驻波型直线超声波电动机分析与测试［J］．微特电机．2015，43(12):45 －48．

［5］ 尹育聪，姚志远，赵淳生．行波型旋转超声波电动机两种组合方式的实验研究［J］．中国机械工程．2011(1):84－87．

［6］ 李小云．纵弯复合模式多自由度超声波电动机的研究［D］．西安:陕西师范大学．2012．

［7］ 石胜君，陈维山，刘军考，等．大推力推挽纵振弯纵复合直线超声波电动机［J］．中国电机工程学报，2010，30(9):55 －61．

［8］ 陈维山，郝铭，赵学涛，等．纵弯复合多自由度球形超声波电动机的研究［J］．振动与冲击．，2009(7):105－110．

［9］ 胡百振，李有光，赵淳生，等．新型纵弯超声波电动机振子的设计与分析［J］．压电与声光，2014(3):353－356．