斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī).doc

東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第4章 模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲波電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理超聲電機(jī)按照其振動(dòng)特征可分類成單振動(dòng)模態(tài)和多振動(dòng)模態(tài)，單振動(dòng)模態(tài)電機(jī)可繼續(xù)分為行波型和駐波型，多振動(dòng)模態(tài)超聲電機(jī)也可分為模態(tài)轉(zhuǎn)換型、復(fù)合模態(tài)型、模態(tài)選擇型和復(fù)合換能器等。其中，模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)是通過(guò)激發(fā)一組壓電陶瓷的一種模態(tài)并利用此模態(tài)誘發(fā)出其它模態(tài)，兩種模態(tài)頻率相近、相位不同，這樣可使定、轉(zhuǎn)子之間的接觸面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由于縱振子的機(jī)電轉(zhuǎn)換能力強(qiáng)、功率大，所以模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲波電機(jī)的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)源一般采用縱振子。目前研究較多的模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲電機(jī)有縱彎模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲波電機(jī)、縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)、耦合振子式模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)以及徑扭模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)44。縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其定、轉(zhuǎn)子間的接觸為面接觸，轉(zhuǎn)換效率高，應(yīng)用前景好。本章介紹了縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲波電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)理、振動(dòng)模型以及分析了定子的參數(shù)對(duì)其工作模態(tài)的影響。4.1縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲波電機(jī)的原理傳統(tǒng)的縱扭復(fù)合超聲波電機(jī)是利用縱、扭兩種振動(dòng)使驅(qū)動(dòng)面上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)主要由機(jī)座、定子和轉(zhuǎn)子組成，定子中放置了縱振和扭振兩組壓電陶瓷，屬于多模態(tài)超聲電機(jī)中的復(fù)合模態(tài)超聲電機(jī)45。而縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲波電機(jī)只需要在定子中放置一組縱振壓電陶瓷，利用定子本身的結(jié)構(gòu)誘發(fā)出扭振模態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)46。圖4.1 縱振模態(tài)向扭振模態(tài)的轉(zhuǎn)換Fig.4.1 The transformation from longitudinal vibration mode to torsional vibration mode傳統(tǒng)的縱扭復(fù)合超聲電機(jī)需要雙振子結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，加工比較困難，而縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲波電機(jī)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還可以輸出可觀的扭矩和轉(zhuǎn)速。模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)利用縱振向扭振轉(zhuǎn)換的原理如圖4.1所示。在電機(jī)定子的外圓柱面開(kāi)設(shè)斜槽，當(dāng)被激勵(lì)的縱振壓電陶瓷產(chǎn)生的縱振波經(jīng)過(guò)斜槽時(shí)有一部分被轉(zhuǎn)化成扭振波，一部分直接到達(dá)自由邊界后反射回來(lái)，這樣在電機(jī)的自由端面驅(qū)動(dòng)處，產(chǎn)生了同頻率但不同相位的縱振波和扭振波，從而在定、轉(zhuǎn)子的接觸面處產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)44?？v扭模態(tài)轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換過(guò)程示意圖如4.2(a)所示，換能器主體為一個(gè)空心圓管，其外表面均勻分布著斜槽，設(shè)理想狀態(tài)下，空心圓管可展開(kāi)成如圖4.2(b)所示的平面狀態(tài)。由圖可以看出，入射縱波經(jīng)斜槽反射出縱波和橫波，由于兩個(gè)斜槽之間距離較小且遠(yuǎn)小于其波長(zhǎng)，所以縱波和橫波在斜槽間產(chǎn)生疊加，應(yīng)力波疊加后在斜槽式轉(zhuǎn)換器的軸向和周向產(chǎn)生振動(dòng)分量，然后傳播至模態(tài)轉(zhuǎn)換器的輸出端產(chǎn)生復(fù)合振動(dòng)47。 (a) 斜槽模態(tài)轉(zhuǎn)換器示意圖 (b)斜槽對(duì)縱波作用示意圖圖4.2 縱波轉(zhuǎn)換原理Fig.4.2 The longitudinal wave transformation principle如圖4.2(b)所示，假設(shè)所有產(chǎn)生的縱波均被反射，反射波包含縱波和橫波，縱波以角為入射角入射，則有反射縱波以角為反射角反射，反射橫波以角為反射角反射，斜槽與模態(tài)換能器軸線的夾角為。在自由面斜槽斜面上取微小段，則有入射縱波、反射縱波和反射橫波的應(yīng)力狀態(tài)如圖4.3所示48。圖4.3 縱波反射后的應(yīng)力狀態(tài)Fig.4.3 The stress state after longitudinal wave reflection圖4.4 斜槽模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲電機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)Fig.4.4 Motion of the chute mode transformation USM in a cycle取定子驅(qū)動(dòng)面上的任意一點(diǎn)P，當(dāng)有外加電壓激勵(lì)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)P在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖4.4所示。定、轉(zhuǎn)子在一個(gè)周期內(nèi)具體的接觸情況和驅(qū)動(dòng)過(guò)程可分為八個(gè)階段來(lái)分析49：在內(nèi)，定、轉(zhuǎn)子從臨界狀態(tài)逐漸開(kāi)始接觸，開(kāi)始驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子；在內(nèi)，定、轉(zhuǎn)子間的接觸越來(lái)越好，驅(qū)動(dòng)力矩逐漸增加最后達(dá)到最大；在內(nèi)，定、轉(zhuǎn)子接觸狀態(tài)變差，驅(qū)動(dòng)力矩越來(lái)越?。辉趦?nèi)，定、轉(zhuǎn)子從接觸狀態(tài)變回臨界狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)力矩逐漸變小直至為零；在內(nèi)，定、轉(zhuǎn)子脫離接觸，轉(zhuǎn)子靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)；在內(nèi)，定、轉(zhuǎn)子徹底脫離接觸且脫離距離達(dá)到最大，轉(zhuǎn)子繼續(xù)靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)；在內(nèi)，定、轉(zhuǎn)子繼續(xù)脫離接觸但脫離距離在縮小，轉(zhuǎn)子繼續(xù)依靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)；在內(nèi)，定、轉(zhuǎn)子仍然脫離但定子逐漸回到臨界狀態(tài)，轉(zhuǎn)子繼續(xù)靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)。綜上所述，在前半周期內(nèi)，定子處于伸長(zhǎng)狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)端位于縱振平衡位置以上，定、轉(zhuǎn)子接觸，定子將其所產(chǎn)生的扭振速度通過(guò)定、轉(zhuǎn)子間摩擦作用傳遞給轉(zhuǎn)子，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)；后半周期內(nèi)，定子處于收縮狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)端面位于縱振平衡位置以下，定、轉(zhuǎn)子脫離，定子所具有的扭振速度并不能傳遞到轉(zhuǎn)子，此時(shí)轉(zhuǎn)子依靠其自身的慣性仍舊繼續(xù)以原速度方向運(yùn)行，不斷重復(fù)以上過(guò)程，轉(zhuǎn)子就會(huì)累積每個(gè)周期內(nèi)獲得的微觀位移而形成穩(wěn)定、宏觀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。設(shè)為超聲波電機(jī)定子驅(qū)動(dòng)面上質(zhì)點(diǎn)P繞中心軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的線位移，為質(zhì)點(diǎn)P的縱向振動(dòng)位移，為激振角頻率，為縱振和扭振的相位差，為質(zhì)點(diǎn)P扭振位移的振幅，為質(zhì)點(diǎn)P縱振位移的振幅，則質(zhì)點(diǎn)P的振動(dòng)方程組可表示為50： (4.1)將式(4.1)中的兩個(gè)方程合并，同時(shí)消去，可得 (4.2)由式(4.2)可知，斜槽縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲波電機(jī)定子驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)P的縱振位移和扭振線位移的相位差為時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓。當(dāng)時(shí)，方程可簡(jiǎn)化成如下形式 (4.3)由式(4.3)可知，如果定子驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)P的縱振位移和扭振線位移的相位差為時(shí)，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)橢圓，驅(qū)動(dòng)效果達(dá)到最好。當(dāng)為0或者時(shí)，方程可簡(jiǎn)化為如下形式 (4.4)由式(4.4)可知，此時(shí)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程并不是橢圓，而是變?yōu)橐粭l直線，這種情況下，電機(jī)將不能工作。4.2定子振動(dòng)模型斜槽式縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)的振子同時(shí)具有縱振和扭振，這就需要我們對(duì)定子的振動(dòng)模型有更加深刻的了解，本電機(jī)的定子可以簡(jiǎn)化為梁，通過(guò)對(duì)梁縱向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的理論分析，可以深刻理解縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換型電機(jī)的實(shí)際工作原理。4.2.1梁縱向振動(dòng)的分析12,51 圖4.5 縱振梁及其微元體的受力分析Fig.4.5 Stress analysis of the longitudinal vibration beam and its infinitesimal body對(duì)于縱振來(lái)說(shuō)，梁亦可稱為桿，在分析桿的變形之前，首先應(yīng)該對(duì)桿進(jìn)行如下假設(shè)：第一，桿在變形過(guò)程中只受拉壓應(yīng)力而不受彎矩，即變形前的各截面在變形時(shí)始終保持著平面；第二，桿的截面上只存在恒定均勻分布的軸向力，其它的應(yīng)力分量均視為零。如圖4.5所示，在不計(jì)桿阻尼的情況下，應(yīng)用牛頓定理可得 (4.5)其中：為桿的軸向位移；為作用在桿橫截面上的軸向內(nèi)力；為作用在桿單位長(zhǎng)度上的軸向外力；為桿的截面積；為桿材料的彈性模量；為材料的密度。整理得 (4.6)由理論力學(xué)可知 (4.7)將式(4.7)代入式(4.6)可得桿縱振的偏微分方程 (4.8)對(duì)于均質(zhì)材料的等截面桿，為常數(shù)，式(4.8)可變?yōu)?(4.9)若外力為零時(shí)，將式(4.9)簡(jiǎn)化可得桿的固有振動(dòng)偏微分方程 (4.10)由高等數(shù)學(xué)可知，的解形式可設(shè)為 (4.11)將式(4.11)代入式(4.10)后整理得 (4.12)要使上式成立，須滿足 (4.13)式中為常數(shù)，于是上式可變?yōu)?(4.14) (4.15)求解方程(4.14)可得 (4.16)求解方程(4.15)可得 (4.17)故偏微分方程的解形式為 (4.18)式中角頻率可由邊界條件求出。若桿的邊界條件為自由-自由端，則有 (4.19)代入邊界條件可得出 (4.20)要使式(4.20)對(duì)一切常系數(shù)恒成立，必須使 (4.21)故解得角頻率為 (4.22)式中為桿的階固有角頻率，設(shè)，為縱波沿桿縱向的傳播速度。當(dāng)時(shí)為對(duì)應(yīng)于自由-自由桿的剛體運(yùn)動(dòng)。當(dāng)且時(shí)，將式(4.22)代入式(4.17)得 (4.23)式中為對(duì)應(yīng)于桿的第階固有角頻率的固有模態(tài)，亦稱固有振型。故自由-自由桿無(wú)阻尼縱向振動(dòng)的一般解為 (4.24)式中的常數(shù)和可由初始條件確定。4.2.2梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的分析12,52 圖4.6 扭振梁及其微元體的受力分析Fig.4.6 Stress analysis of the torsional vibration beam and its infinitesimal body斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲電機(jī)的正常工作不僅要有縱振，也需要有縱振產(chǎn)生的扭振，縱振和扭振在定子端面合成橢圓運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)扭振來(lái)說(shuō)，梁亦可稱為軸，如圖4.6所示為軸作扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)的受力分析圖，在忽略阻尼的情況下，應(yīng)用牛頓定理可得 (4.25)其中：為軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)角位移；為作用在軸上的橫截面內(nèi)扭矩；為作用在軸上的單位長(zhǎng)度外加扭矩；為單位長(zhǎng)度繞軸的質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由理論力學(xué)可知扭矩和轉(zhuǎn)角之間的關(guān)系可表示為 (4.26)其中：為軸截面極慣性矩；為軸材料的剪切模量。將式(4.26)代入式(4.25)可得軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的微分方程為 (4.27)對(duì)均質(zhì)材料等截面軸，和均為常數(shù)，則式(4.27)可簡(jiǎn)化為 (4.28)當(dāng)外加扭矩時(shí)，軸的固有扭振微分方程為 (4.29)當(dāng)軸截面為圓形時(shí)，式(4.29)可簡(jiǎn)化為 (4.30)由于式(4.30)與式(4.10)的數(shù)學(xué)形式一樣，故其解形式也相同，所以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有角頻率及其對(duì)應(yīng)的振型函數(shù)可分別表示為 (4.31)式中為扭振波沿軸向的傳播速度；為軸的第階固有頻率；為其對(duì)應(yīng)于角頻率的振型函數(shù)。對(duì)自由-自由軸無(wú)阻尼扭振的一般解為 (4.32)式中的常數(shù)和可由初始條件確定。4.3定子參數(shù)對(duì)電機(jī)固有模態(tài)的影響斜槽式縱扭模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)的工作模態(tài)有兩個(gè)，一個(gè)是正轉(zhuǎn)模態(tài)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn)，即逆著斜槽方向扭轉(zhuǎn)；另一個(gè)是反轉(zhuǎn)模態(tài)，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)，即順著斜槽方向扭轉(zhuǎn)53。本論文研究的斜槽式超聲波電機(jī)主要是反轉(zhuǎn)，沒(méi)有兼顧正轉(zhuǎn)的性能，后面的研究主要針對(duì)其反轉(zhuǎn)而言。超聲波電機(jī)在定子表面開(kāi)有斜槽且斜槽是通槽，故在定子內(nèi)外徑確定的情況下，斜槽的深度始終是定值，而斜槽的長(zhǎng)度、寬度和其傾斜角都是隨機(jī)值，下面通過(guò)有限元軟件分析以上參數(shù)對(duì)其固有模態(tài)的影響以便確定定子的結(jié)構(gòu)，從而設(shè)計(jì)出最優(yōu)的電機(jī)，如圖4.7所示為定子上開(kāi)設(shè)斜槽的各參數(shù)。 圖4.7 定子槽結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.4.7 Structural parameters of the stator slot(1)斜槽傾角對(duì)其固有模態(tài)的影響當(dāng)其它參數(shù)不變，斜槽傾角分別為、和時(shí)，定子的固有頻率如表4.1所示表4.1 斜槽傾角對(duì)固有頻率的影響Table 4.1 Effects of the chute inclination on the natural frequency()30455060反轉(zhuǎn)縱扭頻率(kHz)36.55836.72236.98137.928由表4.1可以得知，在其它參數(shù)恒定的情況下，電機(jī)固有頻率隨斜槽傾角大致變化規(guī)律曲線如圖4.8所示圖4.8 定子固有頻率隨斜槽傾角的變化趨勢(shì)Fig.4.8 The stator natural frequency trend along with chute inclination由圖4.8可知，反轉(zhuǎn)縱扭固有頻率值隨斜槽傾角的增加而逐漸增大，變化趨勢(shì)較為明顯。(2)斜槽長(zhǎng)度L對(duì)其固有模態(tài)的影響當(dāng)其它參數(shù)不變，斜槽長(zhǎng)度L分別為10mm、12mm和14mm時(shí)，定子的固有頻率如表4.2所示表4.2 斜槽長(zhǎng)度L對(duì)固有頻率的影響Table 4.2 Effects of the chute length L on the natural frequencyL(mm)8101214反轉(zhuǎn)縱扭頻率(kHz)37.96537.16236.72536.122由表4.2可以得知，在其它參數(shù)恒定的情況下，電機(jī)固有頻率隨斜槽長(zhǎng)度大致變化規(guī)律曲線如圖4.9所示圖4.9 定子固有頻率隨斜槽長(zhǎng)度的變化趨勢(shì) Fig.4.9 The stator natural frequency trend along with chute length由圖4.9可知，反轉(zhuǎn)縱扭固有頻率值隨斜槽長(zhǎng)度的增加而逐漸減小，變化趨勢(shì)比較明顯。(3)斜槽寬度b對(duì)其固有模態(tài)的影響當(dāng)其它參數(shù)不變，斜槽寬度b分別為2.1mm、2.3mm和2.5mm時(shí)，定子的固有頻率如表4.3所示表4.3 斜槽寬度b對(duì)固有頻率的影響Table 4.3 Effects of the chute width b on the natural frequencyb(mm)1.92.12.32.5反轉(zhuǎn)縱扭頻率(kHz)36.17436.17936.21936.219由表4.3可以得知，在其它參數(shù)恒定的情況下，電機(jī)固有頻率隨斜槽寬度大致變化規(guī)律曲線如圖4.10所示圖4.10 定子固有頻率隨斜槽寬度的變化趨勢(shì) Fig.4.10 The stator natural frequency trend along with chute width由圖4.10可知，反轉(zhuǎn)縱扭固有頻率隨斜槽寬度的增加而基本保持恒定，變化趨勢(shì)平穩(wěn)。圖4.11 定子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4.11 The stator structure diagram根據(jù)上面的分析可知，定子縱扭固有頻率的大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)槽尺寸改變，其中槽的寬度對(duì)其影響甚小，槽的長(zhǎng)度以及傾斜角度影響較為明顯，可根據(jù)需要適當(dāng)調(diào)整。經(jīng)過(guò)綜合分析最終確定本電機(jī)定子開(kāi)20道斜槽，每道斜槽均為通槽且槽與定子端面的夾角為，定子材料采用硬鋁LY12，定子示意圖如4.11所示。東北大學(xué)碩士學(xué)位論文 第5章 模態(tài)轉(zhuǎn)換型電機(jī)的裝配及實(shí)驗(yàn)研究模態(tài)轉(zhuǎn)換型電機(jī)的裝配及實(shí)驗(yàn)研究超聲波電機(jī)的加工精度與裝配精度在一定程度上決定了電機(jī)性能的好壞，在設(shè)計(jì)原理正確的前提下，如果加工過(guò)程和裝配過(guò)程沒(méi)有達(dá)到要求的標(biāo)準(zhǔn)，電機(jī)在測(cè)試過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的偏差，甚至不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)的加工最關(guān)鍵的是定、轉(zhuǎn)子間接觸面的加工，裝配過(guò)程尤其需要注意同軸度，否則可能影響定、轉(zhuǎn)子間的接觸關(guān)系。本章主要完成了斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)的裝配及對(duì)電機(jī)的性能進(jìn)行初步測(cè)試。5.1電機(jī)的裝配5.1.1電機(jī)其它部件的設(shè)計(jì)(1)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)超聲波電機(jī)的最關(guān)鍵的兩個(gè)部件：一個(gè)是定子，定子的設(shè)計(jì)直接影響電機(jī)的轉(zhuǎn)換效率；另一個(gè)是轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)對(duì)電機(jī)的輸出性能影響很大。轉(zhuǎn)子的主要功能是傳遞轉(zhuǎn)速和扭矩，其設(shè)計(jì)需根據(jù)定子驅(qū)動(dòng)面變形情況而定，有的轉(zhuǎn)子需要增加柔性以便減少其相對(duì)滑動(dòng)，還有一些轉(zhuǎn)子需要特殊設(shè)計(jì)避免定、轉(zhuǎn)子的接觸面分布在節(jié)圓的兩側(cè)等，經(jīng)過(guò)綜合考慮最終確定本轉(zhuǎn)子采用45號(hào)鋼，其結(jié)構(gòu)示意圖如5.1所示圖5.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5.1 The rotor structure diagram(2)壓電陶瓷的極化和疊放本電機(jī)在理論上可以應(yīng)用任意數(shù)量的壓電陶瓷，但數(shù)量太多會(huì)增加安裝過(guò)程的困難，壓電陶瓷作為超聲電機(jī)的重要成分，其安裝位置和數(shù)量都會(huì)影響電機(jī)的輸出結(jié)果，在確定數(shù)量的前提下，壓電陶瓷的疊放方式也極為重要，如果疊放方式不正確，數(shù)量增加不僅不能增強(qiáng)其輸出效能，反而會(huì)吸收一部分振動(dòng)，從而減低電機(jī)的效率，綜合考慮后采用外徑為40mm，內(nèi)徑為15mm，厚度為5mm的兩片壓電陶瓷，極化方向相同，具體極化方式和疊放情況如圖5.2所示。圖5.2 壓電陶瓷的極化和疊放Fig.5.2 The polarization and stack of piezoelectric ceramics(3)后配重的設(shè)計(jì)蘭杰文振子的安裝基本都是通過(guò)螺紋連接將壓電陶瓷緊緊的夾在后配重和定子之間，這種設(shè)計(jì)定子只有一個(gè)驅(qū)動(dòng)面，結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，為了使振子的振動(dòng)能量最大限度的傳遞到定子驅(qū)動(dòng)面，增加驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)的振幅，后配重的質(zhì)量需要較定子質(zhì)量大，由于定子采用硬鋁，故后配重采用密度更大的45號(hào)鋼，后配重的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.3所示圖5.3 后座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5.3 The backstand structure diagram(4)螺桿的設(shè)計(jì)在本電機(jī)中，螺桿的作用有兩個(gè)：其一用于連接后座和定子以壓緊壓電陶瓷片；其二用于連接定、轉(zhuǎn)子并可通過(guò)螺母調(diào)節(jié)定、轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力；螺桿加工過(guò)程對(duì)其同軸度的要求較高，否則可能影響定、轉(zhuǎn)子的接觸。螺桿尾部的圓柱頭對(duì)稱的削去兩塊，目的是為了安裝過(guò)程夾持方便。綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和實(shí)用性，螺桿材料采用45號(hào)鋼，具體結(jié)構(gòu)示意圖如5.4所示圖5.4 螺桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5.4 The screw structure diagram5.1.2電機(jī)的安裝電機(jī)的安裝精度對(duì)電機(jī)的最終輸出性能影響甚大，所以在電機(jī)安裝前需要注意以下事項(xiàng)：壓電片疊放時(shí)同軸度是關(guān)鍵，只有疊放過(guò)程同軸度好，才能激發(fā)出最理想的模態(tài)，才能使超聲電機(jī)效能發(fā)揮到最佳；為了防止漏電產(chǎn)生的影響，螺桿直徑應(yīng)小于壓電陶瓷的內(nèi)徑，本電機(jī)在壓電陶瓷和螺桿之間安放了一個(gè)尼龍?zhí)子糜诮^緣；壓電陶瓷由于耐壓性能很好，抗拉性較差，故必須對(duì)壓電陶瓷施加一定預(yù)應(yīng)力；安裝過(guò)程定、轉(zhuǎn)子的接觸是關(guān)鍵，超聲電機(jī)的原理是定子驅(qū)動(dòng)面質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，實(shí)際上是摩擦力在驅(qū)動(dòng)，故定、轉(zhuǎn)子間與需要有一定的預(yù)壓力。根據(jù)以上注意事項(xiàng)以及導(dǎo)師的指導(dǎo)，成功的將斜槽式超聲波電機(jī)樣機(jī)裝配成功。具體裝配過(guò)程為：首先將螺桿的圓柱頭垂直放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的水平面上，將后配重放入后，先將尼龍?zhí)滋兹肼輻U，再放入壓電片以及導(dǎo)電銅片，仔細(xì)調(diào)節(jié)壓電片的位置使其盡可能的保持同軸度；然后將定子通過(guò)與螺桿間的螺紋擰入，在壓緊過(guò)程中要特別當(dāng)心壓電片的微動(dòng)，為了防止擰入過(guò)程壓電片移動(dòng)而影響同軸度，需要在擰入過(guò)程利用夾持裝置將壓電片固定，直到擰入足夠緊后再撤去夾持裝置；最后安裝轉(zhuǎn)子，將軸承安裝在轉(zhuǎn)子內(nèi)孔后，螺桿穿過(guò)軸承內(nèi)圈，放入碟簧，由于本電機(jī)的振動(dòng)過(guò)程中有縱振產(chǎn)生，故碟簧上面利用雙螺母預(yù)緊，防止松動(dòng)。需要注意的是本電機(jī)中提到的預(yù)緊力包括兩個(gè)：一個(gè)是對(duì)壓電陶瓷施加的預(yù)緊力；另一個(gè)為對(duì)定、轉(zhuǎn)子間接觸施加的預(yù)緊力。這兩個(gè)預(yù)緊力的大小均對(duì)電機(jī)的輸出性能有重要影響，也均可以通過(guò)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中適當(dāng)調(diào)節(jié)找到其最佳值。電機(jī)安裝后的三維模型如5.5所示。圖5.5 斜槽縱扭轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)的三維圖Fig.5.5 Three-dimensional diagram of the chute longitudinal-torsional conversion type USM5.2實(shí)驗(yàn)研究本次實(shí)驗(yàn)的主要目的是通過(guò)對(duì)樣機(jī)性能的初步測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)理論的正確性以及為以后的繼續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，本次實(shí)驗(yàn)中樣機(jī)的扭矩?zé)o法測(cè)量，主要針對(duì)其轉(zhuǎn)速進(jìn)行研究，具體過(guò)程是先給電機(jī)施加一定的電壓，通過(guò)調(diào)節(jié)頻率，使其轉(zhuǎn)速達(dá)到最大，然后再改變電壓，觀察其轉(zhuǎn)速的變化情況。(1)實(shí)驗(yàn)電路介紹超聲電機(jī)的工作原理不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，超聲電機(jī)的正常工作必須對(duì)其振子上的壓電陶瓷施加一定功率的交流信號(hào)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路要求較高，驅(qū)動(dòng)電源的性能好壞，不僅影響超聲電機(jī)性能的輸出，也會(huì)影響其運(yùn)行的穩(wěn)定性。超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路一般有如下特殊要求54-58：由于各類超聲電機(jī)的振子共振頻率一般在20kHz-100kHz之間，故設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源輸出的頻率必須在指定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源需能夠輸出在超聲波范圍內(nèi)兩相有一定相位差的相同幅值和相同頻率的正弦交流電，電壓范圍可由上百伏到上千伏，驅(qū)動(dòng)器最常見(jiàn)的類型為直流-交流型逆變器；由于超聲電機(jī)屬于容性負(fù)載，為了使電機(jī)可以高效、穩(wěn)定的連續(xù)運(yùn)行，必須在驅(qū)動(dòng)器件和電機(jī)之間增加匹配電路，這樣可以很好的濾去高諧振波，避免激發(fā)出振子的非工作模態(tài)；超聲電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中必須能夠通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行調(diào)速，常用的調(diào)速方法有調(diào)頻調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速以及調(diào)節(jié)相位差進(jìn)行調(diào)速；為了防止電器元件的損壞，需要添加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路，為了實(shí)驗(yàn)過(guò)程的方便，還會(huì)加入一些頻率顯示電路等。到目前為止，研究比較成熟的是超聲電機(jī)開(kāi)環(huán)工作驅(qū)動(dòng)器，主要由三個(gè)部分組成，分別是頻率發(fā)生器、分頻分相器和功率/匹配電路54，頻率發(fā)生器用于產(chǎn)生基準(zhǔn)方波信號(hào)；分頻分相器可將基準(zhǔn)方波信號(hào)分為多路具有一定相位差的方波信號(hào)；功率/匹配電路主要起放大信號(hào)作用，放大后的正弦信號(hào)直接用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)器原理的基本框圖如5.6所示圖5.6 超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)器基本框圖Fig.5.6 The USM actuator basic block diagram本實(shí)驗(yàn)所用的超聲波電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源為實(shí)驗(yàn)室原有的，主要包括信號(hào)發(fā)生電路、功率放大電路和輔助頻率顯示電路。由于本電路的信號(hào)源依靠芯片直接產(chǎn)生，故不需要分頻分相，同時(shí)為了防止燒壞電源，在驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中加入了一些保護(hù)電路，驅(qū)動(dòng)電源的輸出包括三個(gè)檔，分別可以輸出100V、150V和300V交流信號(hào)，具體實(shí)體圖如5.7所示。圖5.7 驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖Fig.5.7 The drive circuit physical figure為了驗(yàn)證電路的穩(wěn)定性和可行性，先將電路產(chǎn)生的交流信號(hào)接入示波器，得到的波形如圖5.8所示圖5.8 驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的波形圖Fig.5.8 The waveform generated by a drive circuit由波形圖可知，驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生的交流信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)方波且波形穩(wěn)定，故驅(qū)動(dòng)電路符合實(shí)驗(yàn)要求，可以用于實(shí)驗(yàn)測(cè)試。(2)實(shí)驗(yàn)測(cè)試在實(shí)驗(yàn)測(cè)試前，先將已經(jīng)安裝好的超聲波電機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，然后正確連接電路，打開(kāi)電源，完成測(cè)試準(zhǔn)備工作，斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換型超聲波電機(jī)的實(shí)體圖如5.9所示圖5.9 斜槽式模態(tài)轉(zhuǎn)換超聲波電機(jī)實(shí)物圖Fig.5.9 The chute type mode conversion USM