預(yù)壓力對超聲波電動機(jī)性能影響的實驗研究
王光慶
(浙江工商大學(xué)，浙江杭州310018)
摘要：簡單介紹了超聲波電動機(jī)的驅(qū)動原理，分別建立了電動機(jī)頻率特性、噪聲特性、溫度特性和機(jī)械特性等實驗平臺；在此基礎(chǔ)上，采用對比試驗法分別研究了預(yù)壓力對電動機(jī)諧振頻率、噪聲特性、機(jī)械特性、溫度特性以及電動機(jī)壓電陶瓷夾持電容等的影響。結(jié)果表明：電動機(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)壓力可以避免電動機(jī)出現(xiàn)模態(tài)混疊現(xiàn)象，并能有效抑制電動機(jī)噪聲強(qiáng)度；適當(dāng)?shù)念A(yù)壓力有利于提高電動機(jī)的機(jī)械性能和降低電動機(jī)因摩擦損耗產(chǎn)生的熱量。研究結(jié)果為超聲波電動機(jī)的設(shè)計和控制提供了參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：預(yù)壓力；超聲波電動機(jī)；諧振頻率；機(jī)械特性；實驗研究
中圖分類號：TM38 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7018(2008)06—0004—03
0引言
超聲波電動機(jī)(以下簡稱USM)是一種利用頻率超過20 kHz的超聲波振動能為驅(qū)動源的新型精密超聲波電動機(jī)，與傳統(tǒng)的電磁型電動機(jī)不同的是USM沒有磁極和繞組，不依靠電磁相互作用來傳遞能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成超聲波振動能進(jìn)行驅(qū)動的。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USM的影響主要有：(1)機(jī)械特性和振動特性；(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為研究對象，利用實驗分別研究預(yù)壓力對其機(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)械振動能，并通過定、轉(zhuǎn)子之間的摩擦作用將其傳遞給轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。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)過極化的壓電陶瓷A、B，它們在空間上相差π/2,當(dāng)給它們施加相位相差π/2的激勵電壓后，A、B兩組壓電陶瓷分別在定子表面產(chǎn)生一個駐波，兩個駐波通過疊加后，將在定子表面形成行波，同時定子表面質(zhì)點作橢圓軌跡運(yùn)動。當(dāng)給轉(zhuǎn)子施加預(yù)壓力后，定子行波將推動轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，且運(yùn)動方向與行波方向相反。
2預(yù)壓力對電機(jī)性能影響的實驗研究
2．1預(yù)壓力對諧振頻率的影響
圖3是uSM諧振頻率隨預(yù)壓力變化的實驗結(jié)果。從實驗中可以看出，在預(yù)壓力F1=O時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，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，相當(dāng)于增加uSM定子結(jié)構(gòu)體的剛度和振動阻尼，導(dǎo)致諧振頻率上升，定子振動幅值下降。這時預(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)壓力對電機(jī)噪聲特性的影響
uSM的噪聲實驗系統(tǒng)如圖4所示。不同預(yù)壓力下，uSM運(yùn)行過程中產(chǎn)生的噪聲通過精密聲級計測量采集后，送入計算機(jī)進(jìn)行FW處理并顯示。
圖5是不同預(yù)壓力下uSM噪聲的實驗結(jié)果，由圖可知，隨著預(yù)壓力的 |
