能量回馈型超声波电动机的结构设计与特性分析

2016年第44卷第3期D设计分析esign and analysis 王光庆等 能量回馈型超声波电动机的结构设计与特性分析7　收稿日期:2015-09-10基金项目:国家自然科学基金项目(51277165);浙江省自然科学基金项目(LY15F10001);浙江省教育厅项目(Y201223050);浙江工商大学青年人才计划项目能量回馈型超声波电动机的结构设计与特性分析王光庆,高帅帅,李萧均,杨斌强(浙江工商大学,杭州310018)摘　要:为解决极端封闭环境中微机器人检测精密驱动及其电子设备自供电问题,提出了一种具有振动能量采集功能的超声波电动机㊂电机定子由两组压电陶瓷和金属基体构成锥面夹心结构,一组压电陶瓷利用逆压电效应将电能转换成机械振动能,实现电机的精密驱动与定位;另一组压电陶瓷利用正压电效应将定子机械振动能采集转换成电能,实现对电子器件自供电㊂对电机定子结构和压电陶瓷极化分区模式进行了设计,利用有限元分析软件建立了电机定子结构有限元机电耦合模型,仿真分析了电机振动模态㊁谐响应㊁输入导纳特性㊁能量采集转换特性和阻抗匹配特性等㊂研究结果为实现基于压电转换的驱动和能量采集一体化机电产品提供理论基础㊂关键词:振动能量采集;超声波电动机;有限元;结构设计与分析中图分类号:TM359.9 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2016)03-0007-04Design and Performances of an Energy-Feedback Type Ultrasonic MotorWANG Guang⁃qing ,GAO Shuai⁃shuai ,LI Xiao⁃jun ,YANG Bin⁃qiang(Zhejiang Gongshang University,Hangzhou 310018,China)Abstract :To solve the precision actuate and self-power problems of the micro-robotics operating in an extreme envi⁃ronment,a novel ultrasonic motor with vibration energy harvesting function was proposed.The motor stator consisting of two groups of piezoelectric elements and a metal body is a conical sandwich structure.One piezoelectric element was used to convert the electric energy into mechanical vibration energy with the converse piezoelectric effect,the other piezoelectric el⁃ement was used to harvest the stator vibration energy and convert it into electric energy with the piezoelectric effect.The structure of the motor and the polarization pattern of the piezoelectric elements were studied,and the electromechanical model of the ultrasonic motor stator was established with the finite element method.The vibration mode,resonant respon⁃ding,input impedance and the energy harvesting performance were numerically studied.The results provide the theoreticalguidance to develop the mechatronics device based on the piezoelectric principle.Key words :vibration energy harvesting;ultrasonic motor;finite element method;structure design and analysis0引　言如何对工作在极端恶劣环境(如密封㊁有毒㊁高低温等)中的设备进行检测与控制是近年来困扰工业界的一个重要难题㊂微型机器人由于不需要人类的干预与操控等优势成为解决该问题的首选,并广泛应用于上述极端恶劣环境中[1-2]㊂然而,当前大部分工作在极端恶劣环境中的微型机器人的能源动力均为有限能源,这严重影响了微型机器人的工作寿命,一旦有限能源耗尽,机器人将无法继续工作㊂因此,向极端环境中工作的微型机器人提供可持续的能源是机器人技术领域迫切需要解决的关键问题之一㊂另外,目前机器人关节机构大都采用电磁电机辅助减速机构的驱动控制方式,这种驱动方式增加了系统的复杂性与控制成本㊂超声波电动机(以下简称USM)是一种新型原理与结构的微型特种电机㊂它是利用压电材料的逆压电效应将电能转换成弹性体的机械振动能,并通过摩擦接触传递运动与力矩㊂它打破了迄今为止由电磁效应获得转速和转矩的电机的概念,是当今世界高新技术之一[3-4]㊂超声波电动机具有结构简单㊁低速大力矩㊁快速响应㊁自锁力大㊁无电磁干扰等优点,可以直接驱动机器人关节机构[5]㊂然而,超声波电动机的运行机理决定了其整体运行效率低,这对有限能源场合工作的机器人来说无疑是个软肋㊂因此,如何将超声波电动机的运行过程中的振动能量回收转换成有用的能源,实现为密封㊁恶劣等极端环境中工作的机器人供电,是一项非常有现实意义的研究工作㊂本文提出一种能量回馈型超声波电动机,研究这种超声波电动机的结构设计和振动特性与能量转换特性,为研制出更具有实用价值㊁集驱动与发电功D设计分析esign and analysis 2016年第44卷第3期 王光庆等 能量回馈型超声波电动机的结构设计与特性分析8　能一体化的新型超声波电动机打下基础,实现对微型机器人的精密驱动和供电一体化,为微型机器人在极端环境中的广泛应用提供能源和动力保障㊂1电机总体结构设计考虑到超声波电动机是振动电机,为了能更好地将电机运行过程中的振动能量采集回收,借鉴主流结构环形行波型超声波电动机本体结构,设计的能量回馈型超声波电动机结构如图1所示㊂能量回馈型超声波电动机主要包括锥面转子和压电定子两大部分,锥面转子通过紧固螺钉固定在输出轴上,并通过端盖㊁推力轴承的作用力,使之与压电定子的锥面接触㊂图1　能量回馈型超声波电动机结构 压电定子结构如图2所示,它通过其基座上的四个螺钉孔安装固定在底座上㊂压电定子由激振压电陶瓷环㊁能量采集压电陶瓷环和带锥面齿的金属弹性体通过高强度粘结胶高温固化构成,其中能量采集器压电陶瓷环位于压电定子顶部㊁金属弹性体位于压电定子中间㊁激振压电陶瓷环位于压电振子的底部,三者构成夹心式结构㊂金属弹性体内侧为锥面,与转子锥面配合后形成摩擦驱动接触面㊂图2　压电定子结构示意图 电机压电陶瓷环的极化分区模式如图3所示㊂激励压电陶瓷环采用主流环形行波型超声波电动机压电陶瓷极化分区模式[6],如图3(a)所示,整个激励压电陶瓷被极化分成两个左㊁右区16个扇区,当(a)激励压电陶瓷(b)能量采集压电陶瓷图3　压电陶瓷极化分区模式压电陶瓷被激励时在定子内部产生9个行波㊂能量采集器压电陶瓷环的极化分区模式如图3(b)所示,整个压电陶瓷环极化分区成18个扇区,相邻两扇区的极化方向相反㊂18个扇区可以同时采集定子运行过程中产生的振动能量,将其转换成电能输出㊂2定子锥面结构设计主流结构环形行波型超声波电动机定㊁转子摩擦接触面是平面接触,这种接触形式忽略了定子齿顶表面质点径向振动位移的影响㊂研究证明,径向振动位移与轴向振动位移的幅值一般是一个数量级,会造成较大的径向振动摩擦损耗,不利于提高电机的能量转换效率㊂因此,能量回馈型超声波电动机采用锥面结构实现定转子间的摩擦驱动[7],主要是为了充分利用定子齿面质点的径向和轴向振动的合力,使之与接触面垂直,增大接触面的机械振动幅值,减少接触面径向振动的摩擦顺好㊂因此,锥面结构的设计对定转子摩擦接触转换起到至关重要的作用㊂图4是锥面结构受力分析图(只画出转子部分),图中黑粗实线代表锥面定转子摩擦接触结构,F c 表示接触区域内转子受到的预压力,F r 表示其他接触区域对该接触区域施加的作用合力,N 为该接触区域定子对转子的支承力,f s 为该接触区域内转子受到的静摩擦力,θw 为锥面结构锥角㊂图4　锥面转子结构受力图假设转子稳定运行时,且定子锥面质点振动方向与转子锥面完全垂直,此时定转子接触面之间不存在径向滑动,由此可以建立转子轴向振动的力平衡方程:N cos θw +f s sin θw =F c (1)将f s =Nμs (μs 为接触面静摩擦系数)代入上式得到:N (cos θw +μs sin θw )=F c(2) 由上式可知,当θw =0时,式(2)变成:N =F c(3)此时,定转子接触面变为平面接触形式㊂当θw <π/2时,式(2)变成:N =F ccos θw +μs sin θw (4)此时只要满足θw >π-2arccos(μs /1+μ2s )就有:N >F c (5) 由式(3)和式(5)可知,要在定转子接触面产生 2016年第44卷第3期 D设计分析esign and analysis 王光庆等 能量回馈型超声波电动机的结构设计与特性分析9　相同的支撑力,锥面接触结构所需的预压力要比平面接触结构小㊂本文电机定转子锥面静摩擦系数为0.2,则可计算得到锥面结构的锥角θw 取值范围为[22.5°,90°]㊂3定子特性分析3.1模态分析根据图2和图4所设计的能量回馈型超声波电动机定子结构,采用有限元方法对其特性进行分析,其中定子弹性体材料为黄铜,压电陶瓷选用无锡海鹰公司生产的PZT-5A,极化方向沿z 轴,锥角θw 为45°,定子材料和结构参数如表1和表2所示㊂表1　材料参数参数黄铜压电陶瓷(PZT)密度ρ/(kg㊃m -3)89007500弹性模量E /GPa85-泊松比0.30.32 表2　定子结构尺寸 mm参数金属基体激励PZT 采集PZT 支撑基座内径22.522.52520.513外径30303022.520.5厚度0.290.80.80.52.5 利用有限元分析软件ANSYS10建立电机定子有限元模型[8-9],压电陶瓷采用8节点六面体耦合场SOLID5作为单元类型,金属基板采用8节点线性结构SOLID45作为单元类型㊂由于压电陶瓷和金属基体之间的粘结层以及PZT 表面电极的厚度很小,仅有几十微米到几百微米之间,在ANSYS 中属于薄膜结构,使用SHELL63单元作为单元类型㊂电机定子有限元模型如图5所示㊂在该模型中对金属基体㊁PZT 等设置单元属性和材料特性,然后,采用 vsweep”命令对定子实体模型进行扫略网格划分㊂最后,通过 d”命令对基座内径环面进行所有自由度的约束以及对PZT 进行节点电压自由度耦合后,计算可以得到电机定子的B 0,9模态及其振动频率,结果如图6所示,该模态的振动频率为54.0kHz㊂图5　电机定子有限元模型图6　电机定子振动模态3.2输出特性分析给定子激励压电陶瓷分别施加两个相位差为90°的正弦电压激励信号,如下:V 1=A m sin(2πft )V 2=A m sin(2πft +π2})(1)式中:A m 为电压幅值;f 为激励频率㊂对定子进行扫频分析,扫描频率范围为[50,60]kHz,定子结构阻尼系数为0.05,提取定子表面节点振动位移响应,其中定子表面节点分布如图7所示,1,2,3和4分别表示采集压电陶瓷表面节点,5和6表示定子锥面顶点和低点处节点㊂计算得到上述节点的轴向振动位移和相位响应结果如图8和9所示㊂由图8和图9可以看出,定子表面振动位移在54kHz 达到最大,这与模态计算分析结果是一致的,采集压电陶瓷表面节点振动位移幅值最大达到1.77μm,且定子锥面顶部和底部节点振动位移幅值基本保持一致,这有利于提高电机运转的平稳性㊂图7　定子表面节点分布情况图8　定子节点振动位移响应图9　定子节点振动位移相位响应图10是采集压电片输出电压幅值和相位相应的结果㊂可以看出,定子在谐振频率54kHz 处工作图10　采集压电片输出电压幅值和相位响应曲线时,采集压电片的输出电压达到最大180V,且相位在此频率处发生改变,由0°改变成-180°㊂由此可以计算得到采集压电片输出电流和平均输出功率分别:i (f )=2πfC p V (f )(6)P (f )=V (f )㊃i (f )/2=πfC p V 2(f )(7)式中:f 为激励频率;C p =εr A /h p 为采集压电片电容;D设计分析esign and analysis 2016年第44卷第3期 王光庆等 能量回馈型超声波电动机的结构设计与特性分析10　εr ,A 和h p 分别为采集压电片的介电常数㊁面积和厚度㊂计算结果如图11所示㊂图11　采集压电片输出电流和功率3.3输入导纳特性分析图12是定子激励压电片输入电流和相位响应曲线㊂可以看出,对于图3(a)的激励压电片极化分图12　定子输入电流幅值和相位响应区模式,每片激励压电陶瓷的输入电流最大值为0.11A㊂根据图12计算得到的输入电流,利用下式可以得到定子激励压电陶瓷的输入导纳特性曲线㊂Y (ω)=I (ω)V (ω)(8)G (ω)=Re[Y (ω)](9)B (ω)=Im[Y (ω)](10)式中:Y ,I 和V 分别为定子输入导纳㊁电流和电压;G 和B 分别为电导和电纳;ω为激励信号角频率㊂图13和图14分别是计算得到的定子输入导纳特性曲线和导纳圆㊂由图13和图14可以得到定子最小导纳频率f m ㊁最大导纳频率f n ㊁串联谐振频率f s ㊁并联谐振频率f p ㊁谐振频率f r 等参数㊂利用这些已知参数对定子等效电路模型参数进行识别,结果如表3所示㊂图13　定子输入导纳特性图14　定子输入导纳圆表3　定子等效电路参数识别结果R m /kΩL m /H C m /nF Q m1.160.191.828.8033.4能量采集区阻抗匹配特性分析为了将采集输出的电能对负载有效供电,需要对负载阻抗与采集压电陶瓷的阻抗进行匹配处理㊂采集压电陶瓷用一个恒流源I 与夹持电容C p 并联连接表示,如图15所示[10],Z 为外部阻抗,V 为采集输出电压,I Z 为流经阻抗的电流,则外部阻抗的功率:P Z =12ZI 2Z =12Z(Z cp I Z +Z cp)2(11)式中:Z cp =1j ωC p㊂图15　压电陶瓷等效电路图图16是负载阻抗匹配结果㊂可以看出,当负载阻抗为9kΩ时,其输出功率达到最大0.7W,此时负载输出功率接近采集压电陶瓷输出功率的50%㊂图16　采集区阻抗匹配4结　论本文提出了一种具有振动能量采集功能的超声波电动机,对其结构和特性进行了设计与分析,得到如下结论:(1)要在定转子接触面产生相同的支撑力,锥面接触结构所需的预压力要比平面接触结构小;(2)锥面接触结构有利于电机运行稳定性,降低定子径向振动损耗;(3)电机谐振频率为54kHz,电机振动位移幅值㊁采集输出电压㊁电流和输出功率在谐振时达到最大;(4)当负载阻抗与采集压电陶瓷阻抗匹配时,负载输出功率达到最大,且为采集压电陶瓷输出功率的50%㊂研究结果为能量回馈型超声波电动机样机制作和实验研究提供了理论基础㊂(下转第24页) D设计分析esign and analysis 2016年第44卷第3期 李卫民等 新型爪极发电机的电磁分析 24　软件后处理器得空载有无磁条的气隙线路径上磁密变化曲线对比图,如图8所示㊂(a)无磁条(b)加磁条后图8　气隙线路径上磁密变化图 除上述结果外,还得出了空载时,有无长条永磁体气隙磁通量对比曲线图,如图9所示㊂从图9中可以明显地看出,利用永磁体使得磁通量得到明显的提高,漏磁通从23.7%减小到8%㊂图9　磁通量对比曲线3结　语本文通过逆向工程获得了爪极发电机的三维模型,利用Ansoft软件中的Maxwell3D模块对该款发电机进行了空载励磁分析,从理论和分析结果两方面论证了在发电机前后爪极之间镶嵌永磁体可以大大增加爪极的导磁性能,达到提高发电机的输出功率和效率的目的㊂并为后续的负载分析以及结构优化奠定了基础㊂参考文献[1]　李方正,赖建军,程延伟,等.基于Ansofl的爪极发电机空载漏磁分析[J].微电机,2012,45(2):14-16.[2]　刘金鹏,庄圣贤,杨建华,等.基于Maxwell3D的爪极式发电机的建模与仿真分析[J].电机技术,2013,(3):8-11. 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