振动片倾角对超声波电机性能的影响

发布于:2021-06-11 04:47:53

0卷 第3期  第3 0 0 9年5月  2

华 侨 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) ) J o u r n a l o fH u a i a oU n i v e r s i t N a t u r a lS c i e n c e q y(

V o l . 3 0 N o . 3  a . 2 0 0 9   M y

( ) 0 0 0 ? 5 0 1 3 2 0 0 9 0 3 ? 0 2 4 4 ? 0 4   文章编号 :  1

振动片倾角对超声波电机性能的影响
林星陵 ,洪尚任 ,刘宏伟 ,李强松
( 华侨大学 机电及自动化学院 ,福建 泉州 3 ) 6 2 0 2 1

摘要 : 设计并制作两台不同结构尺寸的样机 , 就不同倾角振动片对   以振动片式驻波超声波电机为研究对象 , 结果发现 , 振动片的角度值也存在一个最优的匹配范围 , 预压力有一个最佳的 电机性能的影响进行对比实验 . 以及换能器的预紧力大小对电机输出的影响 十 分 敏 感. 在 一 定 条 件 下 ( 如驱动频率、 振动片倾角、 定 匹配值 , , 振动片式驻波超声波电机能够实现转 子 的 反 转 效 果. 说 明 一 般 认 为 该 类 型 电 机 只 能 单 转子间的预压力等 ) 向驱动的结论并不准确 . 此外 , 转子的正反转效果与驱动频率 、 振动片倾角 、 定转子间预压力等因素有关 . 关键词 :   超声波电机 ;振动片 ;倾角 ;输出特性 中图分类号 : 5 9  TM3 文献标识码 :  A

超声波马机是一种原理和结构与传统电机完全不同 的新型 驱动 装 置 , 具有与传统电机竞争的多种 优势. 与其他形式的超声波电机相比 , 这种目前研究较少却很有发展前景的振动片式驻波超声波电机 , 是一种最简单的制作与装配方便 , 尺寸小而输出转矩大 , 有利于在商品化生产时降低成本的电机. 该类 又增加了其潜在的使用范围. 本文 设计并制作 了 两 台 不 同 结 构 尺 寸 的 实 验 型电机可以实现反转效果 , 就不同倾角振动片对电机输出特性的影响进行对比实验分析. 样机 ,

1   电机结构尺寸的设计
定子是超声波电机的关键部分 , 其结构和尺寸参数的 选 择是 否 合 理 , 将 直 接 影 响 电 机 的 输 出 性 能. 振动片式驻波超声波电机定子 , 一般由压电换能器 、 变幅杆 、 振动片等部分组成 . 目前尚无法用统一的解 析算法 , 来确定此类型电机定子的整体结构尺寸 . 1. 1  换能器和变幅杆 ] 1 两种样机的外径都取 3 定子根据郎之万 换 能 器 原 理 设 计 [ 0mm, . 通过实验比较不同倾角振动片 样机的输出性能 , 以及同一倾角下不同谐振频率样机的性能差异 , 找出电机性能的变化规律 . 1. 2  振动片 是通过纵振动与弯曲振动的合成来形成 1. 2. 1  结构方案   这类超声波电机属于模态复合型驻波电机 , 振动片顶端的椭圆运动的 . 压电换能 器 由 驱 动 电 源 激 励 产 生 纵 向 振 动 , 变幅杆将振动的振幅放大后输 出, 并带动输出端部的振动片一同振动 . 为 了 使 振 动 片 产 生 横 向 的 弯 曲 振 动, 它 和 转 子 * 面 不 能 垂 直. 这样 , 振动片的纵向振动才可以在振 动 片 的 端 部 产 生 一 个 垂 直 于 振 动 片 的 分 力 , 诱导振动片的弯曲振
2] 动. 采取*行四边形结构的设计方法 [ , 将振动片的截面设计为矩形 , 并沿厚度方向弯曲 , 会得到较大的

同时 , 将此振动片沿圆周方向阵列 , 就可以得到多振动片的定子振动头 , 如图 1 所示 . 振幅 . 振动片可视为悬臂梁 ( 一端固定 , 一端自由 ) , 1. 2. 2  厚度与长度尺寸的确定   根据弹性振动理论分析 , [ ] 3 5 ? 因此 , 可得振动片厚度狋 与长度犾 间的关系 为 4 狋 3 π 犳 0 ρ. 2 = 2 犈 犾 1. 7 8 5



( ) 1

0 0 8 ? 0 1 ? 1 1   收稿日期 :  2 ) , 男, 教授 , 主要从事超声波电机原理与设计的研究 . : 1 9 4 4 ? E ? m a i l s r h o n u . e d u . c n .   通信作者 :   洪尚任 ( @h g q ) 0 4 Q Z R 1 0   基金项目 :   国务院侨办科研基金资助项目 (

万方数据

第 3 期              林星陵 , 等 :振动片倾角对超声波电机性能的影响

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式( ) 的设计参数狋 , , 在样机设计时 , 可选 择 一 种耐磨 抗疲劳 的 模 具 钢 ( 作为振动片 1 犾 犫 参见图 1. L D 钢) , ·m-3 , 可计算出几组狋 和犾 的对应值 . 材料 .由 犈=0. 2 2T P a 8M g ρ=7. ) 可知 , 振动片的宽度犫 不影响谐振频率 , 因此 , 设计振动片的 宽度 , 主 1. 2. 3  宽度尺寸的确定   由式 ( 1 [ ] 要考虑宽度对振动片弯曲刚度的 影 响 . 实 验 中, 振 动 片 宽 度 为 3 mm 4 . 振动片的设计位置既可在转子 [ ] [ ] 5 ? 上6 , 也可在定子上 3 , 文中采用 后 一 种 方 案 . 对2 0, 6 0k H z两 种 不 同 分别制作了 4 种不同倾角振动片的振动头. 为加工与 的谐振频率样机 , 振动头上保留 3 个振 动 片 , 所选择的振动片的4个倾角分别 装配方便 , 是9 , , 和6 其振动头的结构简图如图 1 所示 . 0° 8 5° 7 5° 0° .

2   电机输出特性分析
电机输出特 性 , 主要包括转速( 、 转矩( 、 驱动电压( 、 频率 狀) 犕) 犝) ( 、 预压力 ( 等. 两台 电 机 的 实 验 测 试 采 用 同 一 台 驱 动 电 源 , 该电源 犉) 犳) 的驱动频率 、 电压 、 相位等均 可 调 节 , 是 自 行 设 计 制 作 的 通 用 驱 动 电 源. 转速测量采用 DM 实验 测 试 时, 样机 6 2 3 6 P 型激光非接触/接 触转 速 表 . 尚未完全磨合好 , 转子运行并非处于最佳状态 . 转速 2. 1  激励频率 ? 当振动系统达到 共 振 时 , 其 振 幅 会 达 到 最 大 值, 因 此, 输出的转速
图 1  振动头的结构简图 F i . 1 T h es t r u c t u r a l s k e t c h g o f t h ev i b r a t i o nh e a d

( 也会达到最大值 . 通过实验来测试频率 转速特性 , 可以获得该系统输出转速随实 际的工 作频 率的变 狀) ? 在工作电压为 2 预 压 力为 0. 测 试了 谐 振频 率 为 2 化趋势及电机的共振频率 . 0 0V, 5N 下 , 0, 6 0k H z的 振动片在不同倾角时样机的激励频率 转速特性 , 如图 2 所示 . ? 从图 2 可以看出 , 频率的变化对转速影响很大 , 利用频率调节转速的可调范围较小 , 约 为 1k 从 H z . 不同倾角振动片样机的输出效果分析 , 在固有频率为 2 , 采用 6 倾角振 动片 , 以及在 固有 频率为 0k H z 0° , 采用 8 倾角振动片的样机的输出特性比较 好 . 这 说明 , 固 有频 率不同 的电机 定 子 振 动 片 与 倾 6 0k H z 5° 角存在一个与固有频率相适应的优值 .

) a 2 0k H z     ( 图 2  样机的激励频率 转速特性曲线图 ?

( ) b 6 0k H z

F i . 2 T h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eb e t w e e nt h ee x c i t a t i o nf r e u e n c n dr o t a t i o n a l s e e do f t h ep r o t o t e g q ya p y p

转速 2. 2  驱动电压 ? 超声波电机是利用压电陶瓷来实现换能的. 根据压 电陶 瓷的逆 压 电 效 应 , 当外加电场的电压发生 变化时 , 其形变也会发生变化 , 导致整个振动系统的振幅发生改变 , 从而影响其输出特性 . 该项实验均在 分别测试两台超声波样机的输出转速随输入 各自的实际谐振频率下测试的. 在预压力 0. 5N 条件下 , 电压的变化趋势 . 通过调节电压控制电机输出转 速 的 变 化 , 测得的超声波电机输出转速和驱动电压峰 ? 峰电压值之间的关系 , 如图 3 所示 . 从图 3 中可以看出 , 随着输入电压的增加 , 电机输出的转速也随之增 大, 电机的输出转速随电压值的变化规律呈现比较明 显的 * 似线性 关 系 . 这 说 明 在 一 定 范 围 内, 通过调 节驱动电压 , 可*似线性地控制电机的输出转速 . 转速 2. 3  转矩 ? 万方数据 电机转速和转矩 ( 的关系 , 如图 4 所示 . 从图 4 可以看 到 , 超声 波电机的 转矩增 加 , 而转 速减小. 犕)

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) a 2 0k H z    ( 图 3  样机的驱动电压 转速特性曲线图 ?

( ) b 6 0k H z   

F i . 3 T h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eb e t w e e nt h ed r i v i n o l t a ea n dr o t a t i o n a l s e e do f t h ep r o t o t e g gv g p y p

这使得超声波电机在低速下不需要变速机构就可以输出较大转矩 , 充分地体现超声波电机的特点 .

) a 2 0k H z    ( 图 4  样机的转矩 转速曲线图 ?

( ) b 6 0k H z   

F i . 4 T h ec u r v eb e t w e e nt h e t o r u ea n dt h er o t a t i o n a l s e e do f t h ep r o t o t e g q p y p

转速 2. 4  预压力 ? 超声波电机的定 、 转子之间所加预压力的大小 , 直接影 响到 超 声 波 电 机 的 运 行 性 能 和 输 出 特 性 . 当 预压力太大时 , 电机不能正常启动 ; 预压力太小 , 定、 转 子 之间的 摩擦 力 较 小 , 达不到电机理想的输出效 果. 在输入电压为 2 分别测试了 2 0 0V 时 , 0k H z样机的 4 种倾角振动 片方案 的输 出转速随 预压力 的变 如图 5 所示 . 化, 从图 5 中 可 知 , 在 输 入 电 压、 驱 动 频 率 不 变 的 条 件 下, 不同的预压力有不同 的 输 出 转 速 , 输出转速随预压力变化 当预压力太小时 , 由于振动片的 振幅是 微 存在一个最大值 . 米级的 , 加上 定 转 子 本 身 的 加 工 误 差 等 因 素 , 无法驱动转 子; 当预压力 太 大 时 , 电机产生的力矩不足以驱动转子旋 转. 同时 , 预压力的大 小 还 将 影 响 电 机 的 共 振 频 率 . 所以要 稳定运 转 , 需 要 合 理 调 节 所 施 加 的 预 压 力. 预 使电机高效 、 压力越大 , 所 需 的 驱 动 电 压 值 也 越 大, 输出的转速才能增 大. 预压力和电压两种因素之间是有相互影响的 , 这两因 素 相互配合 , 可以获得较好的输出特性 .
图 5  样机的预压力 转速曲线图 ? F i . 5 T h ec u r v eb e t w e e nt h ep r e ? r e s s u r e g p a n dt h er o t a t i o n a l s e e do f t h ep r o t o t e p y p

2. 5  电机的反转 一般认为 , 振动片式超声波电机只能单向驱动 , 转子不可以反转 . 但实验中发现 , 该类型电机在一定 条件下能够实现转子反转效 果 , 这 说 明 该 类 型 电 机 只 能 单 向 驱 动 的 结 论 并 不 准 确. 在工作电压为2 0 0 预压力为 0. 分别测试了谐振频率为 2 正反转特 性 , 结 果如 图 6 所 V、 5N 下 , 0, 6 0k H z样机的激励频率 ? 从图 6 中可以看出 , 在振动片特定倾角及一定频率范围可实现转子的正反转 . 实验中还发现 , 适当改 示. 变定转子间的预压力可以实现正 反转的*稳过渡 . 这说明转子的正反转效果与驱动 频率 、 振动片倾角 、 ? 定转子间预压力等因素有关 万方数据 .

第 3 期              林星陵 , 等 :振动片倾角对超声波电机性能的影响

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) a 2 0k H z     ( 图 6  样机的激励频率 正反转特性曲线图 ?

( ) b 6 0k H z

F i . 6 T h ec h a r a c t e r i s t i cc u r v eb e t w e e nt h ee x c i t a t i o nf r e u e n c n d g q ya t h ep o s i t i v ea n dr e v e r s er o t a t i o no f t h ep r o t o t e y p

3   结束语
振动片式驻波超声波电机的实 验 结 果 , 充 分 体 现 超 声 波 电 机 所 具 备 的 良 好 性 能 特 点, 如反应速度 快、 控制特性好 、 低速大扭矩 、 良好的断电自锁的能力等. 此外 , 实验表明了振动片式超声波电机的 4 个 特殊设计要求和输出特性 . 至于影响正反转的各因素之间内在联系 , 有待于进一步深入研究探讨 . 参考文献 :
[ ] 超声换能器的原理及设计 [ 北京 : 科学出版社 , 1 M] . 2 0 0 4.   林书玉 . [ ] 洪尚任 , 石菊荣 . 超声波马达振动片的设计与实验 [ ] 华侨大学学报 : 自然科学版 , ( ) : 2 J . 2 0 0 2, 2 3 1 7 0 7 6   许芦君 , ? [ ] 指田年生 . 超音波モ - タ入 门 [ 日本  合 电 子出版社 , 3 M] . 东京: 1 9 9 3.   见 城尚志 , [ ] 振动片式超声波马达的理论与实验研究 [ 泉州 : 华侨大学 , 4 D] . 1 9 9 9.   石菊荣 . [ ] 驻波型超声波电机的设计制作及其实验研究 [ 泉州 : 华侨大学 , 5 D] . 2 0 0 6.   李强松 . [ ] 6 CH I K IT, NAKA Z AWA T, NAKAMUR A K, e ta l . U l t r a s o n i cm o t o ru t i l i z i n l a s t i cf i mm o t o r[ C] r o co f  U ∥P ge : [ ] , s . n . 1 9 9 1: 9 2 9 9 3 2. I E E EU l t r a s o n i cS m o s i u m . F l o r i d a ? y p

犜 犺 犲 犐 狀 犳 犾 狌 犲 狀 犮 犲狅 犳 狋 犺 犲犗 犫 犾 犻 狌 犲犃 狀 犾 犲 狊狅 犳犞 犻 犫 狉 犪 狋 犻 狀 犲 犲 犱 狊狅 狀 狇 犵 犵犚 狋 犺 犲犆 犺 犪 狉 犪 犮 狋 犲 狉 犻 狊 狋 犻 犮 狊狅 犳 狋 犺 犲犝 犾 狋 狉 犪 狊 狅 狀 犻 犮犕 狅 狋 狅 狉 ,HONGS , , L I NX i n l i n h a n r e n L I UH o n w e i L IQ i a n s o n ? ? ? ? g g g g g g
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万方数据

( 责任编辑 :鲁   斌    英文审校 :郑亚青 )

振动片倾角对超声波电机性能的影响
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 林星陵, 洪尚任, 刘宏伟, 李强松, LIN Xing-ling, HONG Shang-ren, LIU Hong-wei, LI Qiang-song 华侨大学机电及自动化学院,福建泉州,362021 华侨大学学报(自然科学版) JOURNAL OF HUAQIAO UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE) 2009,30(3) 0次

参考文献(6条) 1.林书玉 超声换能器的原理及设计 2004 2.许芦君.洪尚任.石菊荣 超声波马达振动片的设计与实验[期刊论文]-华侨大学学报(自然科学版) 2002(01) 3.兄城尚志.指田年生 超音波乇一タ入門 1993 4.石菊荣 振动片式超声波马达的理论与实验研究[学位论文] 1999 5.李强松 驻波型超声波电机的设计制作及其实验研究 2006 6.UCHIKI T.NAKAZAWA T.NAKAMURA K Ultrasonic motor utilizing elastic fim motor 1991

相似文献(4条) 1.期刊论文 石顺桥.洪尚任.许芦君 多振动片式超声波电机的设计制作 -华侨大学学报(自然科学版) 2003,24(1)
在单片式驻波回旋型超声波电机研究的基础上,设计制作一台多振动片式驻波回旋型超声波电机的样机.通过样机实验及实验所得到的数据,绘 出它的一些重要的特性曲线.在此基础上,研究它的基本特性,为以后同类电机的研究和制作提供必要的数据.

2.期刊论文 刘宏伟.洪尚任.林星陵.孙学亮.LIU Hong-wei.HONG Shang-ren.LIN Xin-ling.SUN Xue-liang 振 动片式压电电机定子的实验 -华侨大学学报(自然科学版)2009,30(2)
为了电机结构的紧凑性,考虑无变幅杆定子的设计方案,设计制作不同结构振动片式压电电机,所设计电机的定子由压电换能器和振动片组成.通 过对不同结构形式定子的样机的有、无变幅杆,以及不同倾角振动片电机输出特性的进行对比实验与分析.结果表明,振动片倾角值存在一个最优的 匹配范围,而预压力存在一个最佳值;当电机尺寸较小时,可以省去变幅杆部分,使电机结构更加紧凑;振动片式驻波型压电电机在一定的条件下具有 反转效果.

3.期刊论文 房怀英.杨建红.洪尚任 新型超声波电机的研制及对比实验研究 -工程设计学报2004,11(5)
从不同的振动模态出发,分别设计制作行波型旋转超声波电机和多振动片式驻波型超声波电机的样机,并分别对样机的性能进行测试,分析了不 同类型电机的谐振频率、输入电压和预压力对其性能的影响.对这两种电机的效率、转矩进行了比较,得出了它们的优缺点.

4.学位论文 杨建红 超声波电机及其控制系统的设计与研究 2004
超声波电机是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构,是一种全新原理获得驱动力的新型电机,它利用压电陶瓷的压电效应使 定子产生超声波振动,通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子.与传统电机相比,它具有结构紧凑、低速高转矩、响应快、不受磁场影响、断电自锁 等优点,因而它适合应用于机器人、精确定位装置、微型机械、航空航天器等方面.正是由于超声波电机具有以上诸多优点和广阔的应用前景,深深 地吸引了一批科学工作者,成为当前世界范围内的一门新兴前沿课题.该文研究了旋转行波型超声波电机,以及多振动片式驻波型超声波电机.该文的 主要内容可概括如下:该文系统地总结了国内外压电超声波电机的历史和发展状况,介绍了压电超声波电机的特点、分类,指出了研究压电超声波电 机的科学意义和应用前景.深入地研究了压电超声波电机的核心元件——压电陶瓷,从压电效应着手,推导了压电方程,对影响压电陶瓷的几个参数进 行了论述;应用等效电路等相关方法对超声波电机的运行机理和整体性能进行了研究.在对超声波电机相关理论研究的基础上,从定子设计入手,设计 并制作了一台行波型超声波电机.对行波型超声波电机的设计理论进行了初步的探讨.对研制的超声波电机进行了实验测试,为超声波电机闭环控制 系统的设计打下基础.对影响超声波电机运行速度的几个因素进行了研究,对目前超声波电机的几种常用控制方法进行了系统的探讨,基本上完成了 超声波电机闭环神经网络控制系统,并对所设设计的控制系统进行了实验验证.对多振动片式驻波型超声波电机进行了进一步的研究,在Labview下编 程,利用计算机对这种电机进行了控制.

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hqdxxb200903002.aspx 授权使用:哈尔滨工业大学(hebgydx),授权号:2e321513-589b-4c60-a659-9e9e01138d2f 下载时间:2011年3月6日


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