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，随着预压力的增大，uSM噪声强度降低。如图5a所示，当F=0(给转子一个很小的预压力或转子自重)时，噪声强度达到了100 dB(A)(其中背景噪声为55 dB(A)，采用A级权测试)，且噪声的主要频率成分约为fn1=4.06 kHz、如=8.15 kHz、fn3=12．02 kHz和fn4=16．05 kHz，其中以fn2和fn3噪声的能量密度****；当预压力增加到25 N时，如图5b所示，噪声强度降低到约80 dB(A)，同时噪声主频也发生了改变，主要集中在6～8 kHz之间和13～15kHz之间。当预压力增加到，F=50 N时，uSM噪声强度降到60 dB(A)，而噪声主频在1 kHz以内，且其能量密度也随之降低，说明噪声强度减弱，如图5c所示。从图5的实验结果不难发现，改变定、转子之间的预压力不仅可以改变uSM噪声强度的大小，还改变了uSM噪声的主频成分。
为了更进一步说明预压力对uSM噪声具有抑制作用，表1是通过增加预压力的方法，对自制的系图6--列usM噪声进行抑制的实验结果。表中所有数据均是在uSM****运转状态下测得的。由实验结果可以看出，增加定转子之间的预压力，uSM的噪声得以抑制，其中有的usM噪声达到了商品化uSR30(日本新生公司生产)的性能。
2．3预压力对电机温度特性的影响
图6是usM在不同预压力作用下表面温度特性的实验拟合结果.可以发现,随着预压力的增大,
uSM的饱和温度随着升高，且表面温度上升速度明显加快。这主要是由于预压力的增加使得uSM定转子的滑动摩擦接触面增大，如图7a所示，弧AB表示定转子接触面，s1、s2和S3分别表示接触面内产生的摩擦损耗，显然，预压力增大接触面也增大，导致电机定转子间的摩擦损耗增加，最终使usM发热量增加导致饱和温度和表面温升速度都增大；当预压力继续增加到uSM堵转时，定转子间的滑动摩擦接触区域达到整个行波波长，此时，uSM处于恶劣的运转状态，摩擦损耗急剧加快导致uSM温度也急剧升高。而降低预压力不仅可以减小接触面，如图7h所示，这时摩擦损耗也随之减小，uSM的发热量降低，表面温度下降，这不仅有利于uSM的平稳运行，还能够增加uSM的使用寿命，但是预压力降低会使得uSM定转子间的传递效率降低，从而影响uSM的输出性能。
2．4预压力对电机机械特性的影响
图8是uSM机械特性随预压力的变化实验结果。可以看出，预压力小，uSM的空载转速高，但其堵转力矩却小，此时，其输出效率也没达到****；随着预压力的增大，空载转速逐渐下降，堵转力矩逐渐增大，这主要是由于接触面增大的缘故，此时，uSM的输出效率也呈上升趋势；但当预压力增大到接近堵转时，uSM的空载转速急剧下降，此时，接触面之间的摩擦损耗增大，输出效率也随之降低。由此可以得出：uSM的预压力必须有一个适当的范围，当预压力过大，uSM转速和效率将下降，而当预压力过小，其输出力矩和效率也将降低。
2．5预压力对电机压电陶瓷夹持电容的影响
图9为预压力对uSM夹持电容的影响的实验结果。可以看出，不同的预压力导致uSM夹持电容也不同，夹持电容随着预压力的增大而增加，这可以从压电材料的等效电容依赖于其弹性变形和电位移特性来加以解释。uSM在预压力作用下，同样的驱动电压，由于uSM始终受到预压力的作用，压电陶瓷产生的弹性变形要小于预压力为零时的弹性变形，大的弹性变形导致较大的夹持电容，也使得uSM的谐振工作频率升高，这与前面的结论相吻合。
3结论
通过研究得到以下结论：
(1)超声波电动机的谐振频率随预压力的增大而增加；增大预压力是抑制电机产生尖啸噪声的有效措施之一，增大预压力，电机噪声强度降低，且噪声主频成分也随之改变；增加预压力电机的发热量和表面温度也随之升高，其性能随之降低。
(2)usM的预压力必须有一个适当的范围，当预压力增大，uSM堵转力矩有所增大，但转速和效率将下降，而当预压力过小，其输出力矩和效率也将降低。
(3)增大uSM定转子之间的预压力，可以减小压电陶瓷夹持电容，uSM谐振工作频率上升。
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