周　培

(南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南京 210056)

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關(guān)于行波超聲電動(dòng)機(jī)的性能試驗(yàn)與分析

周培

(南京航空航天大學(xué) 金城學(xué)院 機(jī)電系，江蘇 南京 210056)

摘要：研究行波超聲電動(dòng)機(jī)的工作機(jī)理，分析其發(fā)熱量來源，主要有壓電陶瓷變形產(chǎn)生熱量，定子彈性體變形產(chǎn)生熱量，以及定轉(zhuǎn)子接觸面摩擦生熱。電動(dòng)機(jī)性能的相關(guān)試驗(yàn)表明，行波超聲電動(dòng)機(jī)發(fā)熱源的影響次序分別是定轉(zhuǎn)子的接觸摩擦生熱，壓電陶瓷生熱，以及定子彈性體的變形產(chǎn)生的熱量，定子彈性體的變形產(chǎn)生的熱量很小，可以忽略不計(jì)。定轉(zhuǎn)子摩擦發(fā)熱可以分為接觸區(qū)摩擦生熱和摩擦材料受擠壓發(fā)熱，影響接觸區(qū)發(fā)熱量的主要因素是摩擦材料的厚度、摩擦因數(shù)、彈性模量和預(yù)緊力。通過試驗(yàn)研究了電動(dòng)機(jī)的熱工作能力。

關(guān)鍵詞：超聲電動(dòng)機(jī)；壓電陶瓷；熱量；性能試驗(yàn)

超聲電動(dòng)機(jī)是一種目前比較流行的新型電動(dòng)機(jī)，其采用壓電材料驅(qū)動(dòng),利用內(nèi)部晶體的逆壓電效應(yīng)和超聲級(jí)振動(dòng),將材料的微觀變形通過共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)。超聲電動(dòng)機(jī)具有響應(yīng)快(毫秒級(jí))、無噪聲、慣性小、不受磁場(chǎng)干擾、斷電自鎖和控制性能好等優(yōu)點(diǎn)。超聲電動(dòng)機(jī)的類型很多，目前用途較為廣泛的有旋轉(zhuǎn)式行波超聲電動(dòng)機(jī)和直線超聲電動(dòng)機(jī)，本文選取技術(shù)相對(duì)成熟的行波超聲電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，開展系列性能研究。

行波超聲電動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵工作元件是壓電陶瓷，壓電陶瓷在通電的情況下會(huì)發(fā)生形變。由于電動(dòng)機(jī)定子直接和壓電陶瓷固定連接，定子也會(huì)發(fā)生形變，這種形變?cè)诙ㄗ颖砻嫘纬尚胁?，其表面質(zhì)點(diǎn)在垂直面作橢圓運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，由此驅(qū)動(dòng)負(fù)載。試驗(yàn)表明，在正常工作情況下，行波超聲電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生一定熱量，其表面溫度為50～90 ℃，電動(dòng)機(jī)效率較低，一般≤50%。從輸入的電能到最終輸出動(dòng)能的轉(zhuǎn)換中，大量的能量以熱量的形式被損耗。在工作中，行波電動(dòng)機(jī)過高的溫升不僅局限了其使用場(chǎng)合，而且對(duì)其各項(xiàng)性能參數(shù)都會(huì)產(chǎn)生影響，造成其性能不穩(wěn)定，因而對(duì)其產(chǎn)業(yè)化也產(chǎn)生了一定的影響。

行波超聲電動(dòng)機(jī)對(duì)高溫工作環(huán)境較為敏感。試驗(yàn)表明[1]，高溫環(huán)境下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速逐漸降低，堵轉(zhuǎn)力矩增大。在高溫環(huán)境中, 超聲電動(dòng)機(jī)雖然外表顯示還能正常工作,但其機(jī)械特性已發(fā)生較大變化；所以，分析并處理溫度變化對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響，對(duì)行波超聲電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和控制過程具有一定的實(shí)際意義。文獻(xiàn)[2-3]研究了壓電陶瓷在特定溫度場(chǎng)下的振動(dòng)情況，吉林大學(xué)也做過超聲電動(dòng)機(jī)頻率溫度特性分析[4]，文獻(xiàn)[5]研究了滑動(dòng)摩擦中的摩擦發(fā)熱和熱機(jī)理。

本文通過試驗(yàn)，研究行波超聲電動(dòng)機(jī)工作中溫度升高的原理和熱源；同時(shí)分析預(yù)緊力、摩擦材料厚度和定子工作溫度對(duì)電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)工作性能參數(shù)的影響規(guī)律。研究有助于探索超聲電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生熱量的根源，指導(dǎo)摩擦材料設(shè)計(jì)和預(yù)緊力的設(shè)定，對(duì)控制電動(dòng)機(jī)的工作溫升，改善電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有一定的作用。

1行波電動(dòng)機(jī)工作溫升分析

在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中，由于電動(dòng)機(jī)內(nèi)部各種損耗大多以熱能的形式表現(xiàn)出來，使其溫度升高。電動(dòng)機(jī)通電，假設(shè)輸入電動(dòng)機(jī)的初始電能為U，壓電陶瓷的壓電效應(yīng)(這里是逆效應(yīng))會(huì)把輸入的電能轉(zhuǎn)化為壓電陶瓷中粒子微觀振動(dòng)的動(dòng)能，儲(chǔ)存在陶瓷內(nèi)部的內(nèi)能之和E1，以及在這一過程中壓電陶瓷的變形產(chǎn)生的熱能消耗Q1。由于壓電陶瓷和電動(dòng)機(jī)定子之間為固定連接，壓電陶瓷的變形會(huì)使定子也隨之變形，定子的變形會(huì)使其金屬材料內(nèi)部的粒子產(chǎn)生摩擦，摩擦中損耗的熱能記為Q2。此時(shí)由于定子共振過程中的能量損耗，E1減少為定子上表面行波的機(jī)械振動(dòng)能E2；電動(dòng)機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間是通過定子上表面與轉(zhuǎn)子摩擦材料產(chǎn)生摩擦力，以此帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的，摩擦材料和定子材料之間有一定的嵌入和大量摩擦，這部分摩擦又會(huì)帶來熱能的損耗，故動(dòng)能E2將因?yàn)槟Σ炼鴾p少為E3，定轉(zhuǎn)子接觸面摩擦過程中熱量損耗記為Q3。其中E3/U就是電動(dòng)機(jī)的效率。

圖1　超聲電動(dòng)機(jī)中能量的轉(zhuǎn)化過程圖

根據(jù)行波電動(dòng)機(jī)的工作原理[1]，并結(jié)合電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)，可得到超聲電動(dòng)機(jī)中能量的轉(zhuǎn)化過程圖(見圖1)。由圖1可知，輸入電動(dòng)機(jī)的初始電能U，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)化，變成了轉(zhuǎn)子的最終輸出動(dòng)能E3，每經(jīng)過一個(gè)轉(zhuǎn)化階段，能量都有所衰減，E1>E2>E3，損耗的能量Q1、Q2和Q3都是由于材料內(nèi)部微觀摩擦和定轉(zhuǎn)子接觸摩擦產(chǎn)生的。如果能夠確定能量損耗Q1、Q2和Q3之間的大小關(guān)系和影響其大小的因素，則有利于研究如何在電動(dòng)機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的過程中控制能量損耗，對(duì)延長電動(dòng)機(jī)壽命，提高電動(dòng)機(jī)效率有很重要的意義。

2電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性試驗(yàn)

本文試驗(yàn)對(duì)象選取目前廣泛使用的φ60 mm行波超聲電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)器采用AFG3022信號(hào)發(fā)生器。其試驗(yàn)結(jié)果具有一定代表性和普遍性。為了研究電動(dòng)機(jī)實(shí)際工作溫升情況和高溫工作環(huán)境對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響，試驗(yàn)分為兩部分：空氣中試驗(yàn)和保溫試驗(yàn)。

1)空氣中試驗(yàn)。通過試驗(yàn)測(cè)量不同參數(shù)下的電動(dòng)機(jī)面溫度，并做了對(duì)比(見圖2)。試驗(yàn)表明，電動(dòng)機(jī)在自由定子狀態(tài)時(shí)的發(fā)熱量小于帶轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量，且同一轉(zhuǎn)子在相同的驅(qū)動(dòng)電壓和頻率下，摩擦材料越厚，發(fā)熱量越大。

圖2　空氣中電動(dòng)機(jī)熱量變化曲線

2)保溫試驗(yàn)。本試驗(yàn)中在電動(dòng)機(jī)底座表面固定溫度傳感器，傳感器采用電阻式pt100，測(cè)量電動(dòng)機(jī)工作時(shí)表面實(shí)時(shí)溫度，計(jì)算電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量。電動(dòng)機(jī)用絕熱材料進(jìn)行絕熱。假設(shè)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部熱量分布均勻，底座溫度即為電動(dòng)機(jī)工作溫度。試驗(yàn)時(shí)電動(dòng)機(jī)始終裝夾在CZC—2轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀上，以定轉(zhuǎn)速的工作狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速為100 r/min，空載。隨時(shí)監(jiān)測(cè)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩。為了將定子微觀振動(dòng)產(chǎn)生的熱量與定轉(zhuǎn)子的接觸摩擦產(chǎn)生的熱量剝離，保溫試驗(yàn)也分為2個(gè)步驟：不加載轉(zhuǎn)子的自由定子試驗(yàn)和合并轉(zhuǎn)子但空載條件下的試驗(yàn)。帶轉(zhuǎn)子試驗(yàn)中，調(diào)整電動(dòng)機(jī)的預(yù)緊力和轉(zhuǎn)子摩擦材料厚度，研究其對(duì)發(fā)熱量的影響。在試驗(yàn)中，電動(dòng)機(jī)輸入電壓為400 V，為了數(shù)據(jù)的可比性在試驗(yàn)中調(diào)節(jié)頻率，以保持電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速恒定。轉(zhuǎn)子摩擦材料采用環(huán)氧樹脂基材料。摩擦材料厚度有0.14、0.17、0.2、0.23和0.26 mm共5組，每組厚度中又分別做250、220和200 N等3種預(yù)緊力的電動(dòng)機(jī)熱量試驗(yàn)。

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1電動(dòng)機(jī)熱源分析

摩擦材料厚度為0.26 mm時(shí)，加載不同預(yù)緊力，電動(dòng)機(jī)溫度變化曲線如圖3所示。

圖3　不同預(yù)緊力下電動(dòng)機(jī)工作溫度曲線

電動(dòng)機(jī)在自由定子的狀態(tài)下，工作溫度比加上轉(zhuǎn)子后工作溫度要低，加上轉(zhuǎn)子之后工作溫度升高明顯，且從圖3可知，加上轉(zhuǎn)子之后增加的定轉(zhuǎn)子接觸摩擦生熱，在總熱量中占主導(dǎo)地位。

本試驗(yàn)分為15組研究對(duì)象，5組摩擦材料厚度，每組摩擦材料厚度設(shè)定3種預(yù)緊力值，從而進(jìn)行不同摩擦材料厚度和預(yù)緊力條件下，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，摩擦材料厚度和預(yù)緊力越大，定轉(zhuǎn)子接觸摩擦產(chǎn)生的熱量占電動(dòng)機(jī)總發(fā)熱量的比例越大。由于行波電動(dòng)機(jī)若要正常工作，必須有一定厚度的摩擦材料，所以在此試驗(yàn)中，摩擦材料發(fā)熱仍占熱源的主體位置。

3.2預(yù)緊力和摩擦材料厚度對(duì)發(fā)熱量的影響

1)當(dāng)預(yù)緊力不變時(shí)，摩擦材料厚度變化對(duì)電動(dòng)機(jī)溫升影響曲線呈正態(tài)分布(見圖4)，最大臨界值與預(yù)緊力大小有關(guān)。

圖4　摩擦材料厚度對(duì)電動(dòng)機(jī)溫升的影響規(guī)律

2)摩擦材料厚度不變，預(yù)緊力越大，發(fā)熱量越大(見圖5)。

圖5　電動(dòng)機(jī)溫升隨預(yù)緊力變化的規(guī)律

3.3電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)其機(jī)械特性的影響

1)摩擦材料厚度增大，定轉(zhuǎn)子接觸摩擦增大，電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)速減小(見圖6)。

圖6　空載轉(zhuǎn)速隨摩擦材料厚度的變化規(guī)律

2)在同一預(yù)緊力下，摩擦材料厚度與堵轉(zhuǎn)力矩之間成波動(dòng)變化，變化趨勢(shì)一致，預(yù)緊力越大，堵轉(zhuǎn)力矩越小(見圖7)。

圖7　堵轉(zhuǎn)力矩隨摩擦材料厚度的變化曲線

3.4摩擦材料硬度與發(fā)熱量關(guān)系試驗(yàn)

摩擦材料的硬度越大，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量越大。試驗(yàn)中摩擦材料取金剛石作為材料時(shí)，電動(dòng)機(jī)溫度短時(shí)間內(nèi)急劇上升(見圖8)。

圖8　摩擦材料硬度與發(fā)熱量關(guān)系

3.5電動(dòng)機(jī)熱工作能力試驗(yàn)

圖9　電動(dòng)機(jī)耐高溫試驗(yàn)曲線

該試驗(yàn)中，在前述試驗(yàn)的電動(dòng)機(jī)在絕熱環(huán)境下，連續(xù)工作，記錄其溫度變化，測(cè)試其高溫耐受性。該次試驗(yàn)中，電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作了50 min。在前25 min內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，電動(dòng)機(jī)表面溫度不斷升高，且升高幅度較大；在25 min之后，電動(dòng)機(jī)表面溫度雖然繼續(xù)升高，但變化幅度明顯放緩；在溫度約為120 ℃時(shí)，不再上升；在50 min時(shí)，電動(dòng)機(jī)溫度達(dá)到了128 ℃，壓電陶瓷片突然斷裂，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)。

4結(jié)語

本文以φ60 mm行波型超聲電動(dòng)機(jī)作為研究對(duì)象，通過電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)速絕熱試驗(yàn)，探索了在電動(dòng)機(jī)能量轉(zhuǎn)化的過程中，不同環(huán)節(jié)產(chǎn)生的熱量在總熱量中所占的比重，研究了不同熱能損耗產(chǎn)生的根本原因。研究發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)緊力、摩擦材料厚度等參數(shù)不同，電動(dòng)機(jī)發(fā)熱源的主體改變，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性也不同；但從總體趨勢(shì)上分析，定轉(zhuǎn)子的接觸摩擦生熱仍是導(dǎo)致超聲電動(dòng)機(jī)工作中產(chǎn)生大量熱量的最主要原因。本試驗(yàn)定轉(zhuǎn)子摩擦層所用的環(huán)氧樹脂基摩擦材料，當(dāng)預(yù)緊力為200 N、材料厚度為0.14 mm時(shí)，電動(dòng)機(jī)的工作發(fā)熱量總量最小，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性也較為理想。為了控制電動(dòng)機(jī)在工作中不會(huì)有過高的溫升，應(yīng)針對(duì)不同的摩擦材料，研究預(yù)緊力和摩擦材料厚度的最佳搭配值。當(dāng)然在電動(dòng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載的大小也會(huì)影響其工作溫升。

試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，在過高的運(yùn)行溫度下，雖然電動(dòng)機(jī)表面仍正常工作，但高溫已經(jīng)改變了壓電材料的內(nèi)部性能。本次試驗(yàn)中，70 ℃的溫度已經(jīng)使壓電陶瓷產(chǎn)生了無法逆轉(zhuǎn)的熱疲勞，嚴(yán)重影響了電動(dòng)機(jī)壽命，甚至?xí)箟弘娞沾蓴嗔选?/p>

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責(zé)任編輯馬彤

Performance Test and Analysis about the Traveling Wave Ultrasonic Motor

ZHOU Pei

(Jincheng College, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Electrical System, Nanjing 210056, China)

Abstract：The working mechanism of the traveling wave ultrasonic motor has been studied. The main heat sources include: heat produced from deformation of piezoelectric ceramic, the stator elastomer deformation and heat produced from stator interface friction. Relevant test has been done to prove the influence of traveling wave ultrasonic motor heat source is: heat produced from stator interface friction, heat produced from deformation of piezoelectric ceramic, and heat produced from the stator elastomer deformation. Heat produced from the stator elastomer deformation is so rare that can be neglected. Heats produced from stator interface friction include friction heat from contact region and squeezing of friction materials. The main factor influencing the contact area calorific value is the thickness of friction materials, friction coefficient, modulus of elasticity and precompression. The hot working ability of the motor has also been studied.

Key words:ultrasonic motor, piezoelectric ceramic, heat, performance test

收稿日期：2015-12-01

作者簡介：周培(1983-)，女，講師，碩士，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)及理論等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TH 122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A