預(yù)壓力對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究
王光慶
(浙江工商大學(xué)，浙江杭州310018)
摘要：簡(jiǎn)單介紹了超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，分別建立了電動(dòng)機(jī)頻率特性、噪聲特性、溫度特性和機(jī)械特性等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；在此基礎(chǔ)上，采用對(duì)比試驗(yàn)法分別研究了預(yù)壓力對(duì)電動(dòng)機(jī)諧振頻率、噪聲特性、機(jī)械特性、溫度特性以及電動(dòng)機(jī)壓電陶瓷夾持電容等的影響。結(jié)果表明：電動(dòng)機(jī)諧振頻率隨預(yù)壓力的增加而升高，而壓電陶瓷夾持電容卻隨預(yù)壓力的增加減小；增加預(yù)壓力可以避免電動(dòng)機(jī)出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象，并能有效抑制電動(dòng)機(jī)噪聲強(qiáng)度；適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力有利于提高電動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能和降低電動(dòng)機(jī)因摩擦損耗產(chǎn)生的熱量。研究結(jié)果為超聲波電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和控制提供了參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：預(yù)壓力；超聲波電動(dòng)機(jī)；諧振頻率；機(jī)械特性；實(shí)驗(yàn)研究
中圖分類號(hào)：TM38 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7018(2008)06—0004—03
0引言
超聲波電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱USM)是一種利用頻率超過(guò)20 kHz的超聲波振動(dòng)能為驅(qū)動(dòng)源的新型精密超聲波電動(dòng)機(jī)，與傳統(tǒng)的電磁型電動(dòng)機(jī)不同的是USM沒(méi)有磁極和繞組，不依靠電磁相互作用來(lái)傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成超聲波振動(dòng)能進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。它具有響應(yīng)速度快、低速大力矩、運(yùn)行平穩(wěn)和電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、航空航天、精密儀器儀表和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。
USM是一個(gè)非常復(fù)雜的強(qiáng)非線性耦合系統(tǒng)，它是一種涉及壓電學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械振動(dòng)學(xué)、摩擦學(xué)、電力電子以及控制理論等多學(xué)科交叉的精密機(jī)電一體化電機(jī)。因此，USM的性能受到諸多因素的影響，如結(jié)構(gòu)參數(shù)、制造工藝、材料性能、預(yù)壓力以及驅(qū)動(dòng)電源等。預(yù)壓力是決定USM性能好壞的關(guān)鍵因素之一，它對(duì)USM的影響主要有：(1)機(jī)械特性和振動(dòng)特性；(2)諧振工作頻率；(3)噪聲以及模態(tài)混疊等特性；(4)溫度(發(fā)熱)特性；(5)壓電陶瓷(夾持電容)。目前預(yù)壓力對(duì)USM諧振工作頻率、噪聲、溫度特性以及夾持電容的影響研究很少[1-8]。
本文以研制的系列USM為研究對(duì)象，利用實(shí)驗(yàn)分別研究預(yù)壓力對(duì)其機(jī)械特性、諧振頻率、噪聲、溫度特性以及夾持電容的影響進(jìn)行研究和分析，力求從中得到預(yù)壓力與USM性能的內(nèi)在關(guān)系，為提高USM性能、改善USM的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制以及預(yù)壓力的設(shè)定提供參考依據(jù)。
1超聲波電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)理
圖1為旋轉(zhuǎn)式超聲波電動(dòng)機(jī)(USM)的結(jié)構(gòu)圖，它主要由定子、轉(zhuǎn)子、壓電陶瓷和摩擦材料組成。轉(zhuǎn)子在軸承的作用下，通過(guò)自身的結(jié)構(gòu)變形以一定的壓力與定子接觸；粘有壓電陶瓷(PZT)元件的復(fù)合定子把電能轉(zhuǎn)換為超聲波機(jī)械振動(dòng)能，并通過(guò)定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用將其傳遞給轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。uSM的運(yùn)行機(jī)理如圖2所示，定子金屬底面粘有兩組經(jīng)過(guò)極化的壓電陶瓷A、B，它們?cè)诳臻g上相差π/2,當(dāng)給它們施加相位相差π/2的激勵(lì)電壓后，A、B兩組壓電陶瓷分別在定子表面產(chǎn)生一個(gè)駐波，兩個(gè)駐波通過(guò)疊加后，將在定子表面形成行波，同時(shí)定子表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)。當(dāng)給轉(zhuǎn)子施加預(yù)壓力后，定子行波將推動(dòng)轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向與行波方向相反。
2預(yù)壓力對(duì)電機(jī)性能影響的實(shí)驗(yàn)研究
2．1預(yù)壓力對(duì)諧振頻率的影響
圖3是uSM諧振頻率隨預(yù)壓力變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)中可以看出，在預(yù)壓力F1=O時(shí)uSM的諧振頻率和反諧振頻率分別為32．9 kHz和33.1kHz，當(dāng)預(yù)壓力增大到F2=50 N時(shí)，其諧振頻率和反諧振頻率分別增大到34．96 kHz和35．42 kHz，但預(yù)壓力的增加造成機(jī)械導(dǎo)納幅值變小。這是由于增加預(yù)壓力時(shí)，相當(dāng)于增加uSM定子結(jié)構(gòu)體的剛度和振動(dòng)阻尼，導(dǎo)致諧振頻率上升，定子振動(dòng)幅值下降。這時(shí)預(yù)壓力可以等效成彈性系數(shù)為kf的彈簧元件，增大kf，，諧振工作頻率也隨之增加，也即增加預(yù)壓力，uSM諧振工作頻率增大。
2.2預(yù)壓力對(duì)電機(jī)噪聲特性的影響
uSM的噪聲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖4所示。不同預(yù)壓力下，uSM運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲通過(guò)精密聲級(jí)計(jì)測(cè)量采集后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行FW處理并顯示。
圖5是不同預(yù)壓力下uSM噪聲的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由圖可知，隨著預(yù)壓力的 |
