预压力对超声波电动机性能影响的实验研究
王光庆
(浙江工商大学，浙江杭州310018)
摘要：简单介绍了超声波电动机的驱动原理，分别建立了电动机频率特性、噪声特性、温度特性和机械特性等实验平台；在此基础上，采用对比试验法分别研究了预压力对电动机谐振频率、噪声特性、机械特性、温度特性以及电动机压电陶瓷夹持电容等的影响。结果表明：电动机谐振频率随预压力的增加而升高，而压电陶瓷夹持电容却随预压力的增加减小；增加预压力可以避免电动机出现模态混叠现象，并能有效抑制电动机噪声强度；适当的预压力有利于提高电动机的机械性能和降低电动机因摩擦损耗产生的热量。研究结果为超声波电动机的设计和控制提供了参考依据。
关键词：预压力；超声波电动机；谐振频率；机械特性；实验研究
中图分类号：TM38 文献标识码：A 文章编号：1004-7018(2008)06—0004—03
0引言
超声波电动机(以下简称USM)是一种利用频率超过20 kHz的超声波振动能为驱动源的新型精密超声波电动机，与传统的电磁型电动机不同的是USM没有磁极和绕组，不依靠电磁相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转换成超声波振动能进行驱动的。它具有响应速度快、低速大力矩、运行平稳和电磁干扰等优点而广泛应用于工业控制、航空航天、精密仪器仪表和医疗器械等领域。
USM是一个非常复杂的强非线性耦合系统，它是一种涉及压电学、材料学、机械振动学、摩擦学、电力电子以及控制理论等多学科交叉的精密机电一体化电机。因此，USM的性能受到诸多因素的影响，如结构参数、制造工艺、材料性能、预压力以及驱动电源等。预压力是决定USM性能好坏的关键因素之一，它对USM的影响主要有：(1)机械特性和振动特性；(2)谐振工作频率；(3)噪声以及模态混叠等特性；(4)温度(发热)特性；(5)压电陶瓷(夹持电容)。目前预压力对USM谐振工作频率、噪声、温度特性以及夹持电容的影响研究很少[1-8]。
本文以研制的系列USM为研究对象，利用实验分别研究预压力对其机械特性、谐振频率、噪声、温度特性以及夹持电容的影响进行研究和分析，力求从中得到预压力与USM性能的内在关系，为提高USM性能、改善USM的优化设计和控制以及预压力的设定提供参考依据。
1超声波电动机的结构和运行机理
图1为旋转式超声波电动机(USM)的结构图，它主要由定子、转子、压电陶瓷和摩擦材料组成。转子在轴承的作用下，通过自身的结构变形以一定的压力与定子接触；粘有压电陶瓷(PZT)元件的复合定子把电能转换为超声波机械振动能，并通过定、转子之间的摩擦作用将其传递给转子，从而驱动转子做旋转运动。uSM的运行机理如图2所示，定子金属底面粘有两组经过极化的压电陶瓷A、B，它们在空间上相差π/2,当给它们施加相位相差π/2的激励电压后，A、B两组压电陶瓷分别在定子表面产生一个驻波，两个驻波通过叠加后，将在定子表面形成行波，同时定子表面质点作椭圆轨迹运动。当给转子施加预压力后，定子行波将推动转子作旋转运动，且运动方向与行波方向相反。
2预压力对电机性能影响的实验研究
2．1预压力对谐振频率的影响
图3是uSM谐振频率随预压力变化的实验结果。从实验中可以看出，在预压力F1=O时uSM的谐振频率和反谐振频率分别为32．9 kHz和33.1kHz，当预压力增大到F2=50 N时，其谐振频率和反谐振频率分别增大到34．96 kHz和35．42 kHz，但预压力的增加造成机械导纳幅值变小。这是由于增加预压力时，相当于增加uSM定子结构体的刚度和振动阻尼，导致谐振频率上升，定子振动幅值下降。这时预压力可以等效成弹性系数为kf的弹簧元件，增大kf，，谐振工作频率也随之增加，也即增加预压力，uSM谐振工作频率增大。
2.2预压力对电机噪声特性的影响
uSM的噪声实验系统如图4所示。不同预压力下，uSM运行过程中产生的噪声通过精密声级计测量采集后，送入计算机进行FW处理并显示。
图5是不同预压力下uSM噪声的实验结果，由图可知，随着预压力的 |
