PPS等替代金屬在超聲電機(jī)中的研究與應(yīng)用

超聲電機(jī)（Ultrasonic Motor）不像傳統(tǒng)的電機(jī)那樣，利用電磁的交叉力來(lái)獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)來(lái)獲得其運(yùn)動(dòng)和力矩，將材料的微觀變形通過(guò)機(jī)械共振放大和摩擦耦合轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的宏觀運(yùn)動(dòng)。

超聲電機(jī)是一種新型微特電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、響應(yīng)快、定位精度高、低速大扭矩以及斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于轎車電器、辦公自動(dòng)化設(shè)備、精密儀器儀表、機(jī)械工程、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。

超聲電機(jī)

超聲電機(jī)定子一般由壓電陶瓷和彈性體制成，其中彈性體的作用是在驅(qū)動(dòng)足處匯聚能量，增大超聲電機(jī)的輸出速度和推力。彈性體作為能量流通道以及**能量的輸出處，所選材料需滿足彈性大、機(jī)械強(qiáng)度高、密度小、機(jī)械損耗小等特點(diǎn)。因此，在早期的研究中普遍選用金屬材料。

超聲電機(jī)

某些高分子聚合材料呈現(xiàn)出優(yōu)越的機(jī)械性能，如低彈性模量、小密度、耐磨性，并成功應(yīng)用于機(jī)械領(lǐng)域。起初，高分子材料在超聲電機(jī)中作為摩擦材料使用，對(duì)此人們進(jìn)行了大量的研究。但是，摩擦材料增加了定子結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，提高了生產(chǎn)成本。

2015年，基于聚苯硫醚（PPS）材料低密度、低彈性模量、低機(jī)械損耗的特點(diǎn)，Wu等首次利用PPS材料制作了幾種輕質(zhì)化定子和轉(zhuǎn)子，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究其**匹配性能，該方案可顯著減小微機(jī)械系統(tǒng)的質(zhì)量并提高其可操作性。

隨后，基于有機(jī)材料的超聲電機(jī)得到了持續(xù)研究，這種非金屬材質(zhì)定子的出現(xiàn)為超聲電機(jī)的微型化、輕質(zhì)化發(fā)展開辟了嶄新的研究方向，使其應(yīng)用場(chǎng)景有望向重視生物兼容性的醫(yī)療器械領(lǐng)域延伸。

1高分子聚合材料

常用的特種高分子材料有聚酰亞胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等。它們具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高低溫性、耐腐蝕、耐磨損以及易加工等特性，并廣泛地應(yīng)用于航空航天、電子電氣、石油化工和醫(yī)療醫(yī)藥等領(lǐng)域。聚合物很少單獨(dú)使用，多以玻璃纖維或無(wú)機(jī)填料的復(fù)合材料為主。

2高分子聚合材料的應(yīng)用研究

高分子聚合物具有低密度和低彈性模量的特點(diǎn)，是制造高能量密度超聲波電機(jī)的理想材料，為超聲電機(jī)研究者提供了新的研究方向。

2.1行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)（英文簡(jiǎn)稱TRUM）是最具代表性的一種超聲電機(jī)，在當(dāng)前應(yīng)用最多。傳統(tǒng)金屬定子表面要黏結(jié)一層薄的聚合物基體薄膜，用于提高耐磨性。由于這層基體薄膜厚度小且具有彈塑性，所以加工效率較低。

同時(shí)，定子為復(fù)雜的齒狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致加工成本較高。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)價(jià)格昂貴，其應(yīng)用受到了限制。因此，通過(guò)改進(jìn)定子的結(jié)構(gòu)和材料來(lái)降低生產(chǎn)成本，有利于超聲電機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。

2015年，Wu等提出了一種基于聚合物振子的行波超聲波電機(jī)，使用聚苯硫醚作為彈性體，并且將一片環(huán)形壓電陶瓷元件黏合到聚苯硫醚基彈性體的底部以形成振動(dòng)器。實(shí)驗(yàn)表明，該超聲電機(jī)的工作方式與傳統(tǒng)金屬基超聲電機(jī)的相同。

然而，新型超聲電機(jī)的扭矩只有同直徑的商用金屬基超聲電機(jī)扭矩的5%，而且只能承受小的載荷。與金屬定子相比，聚合物基超聲電機(jī)在力學(xué)性能方面還有很大差距。

為了提高聚合物基超聲電機(jī)的性能，Wu等對(duì)聚合物基超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了初步研究。在產(chǎn)生與基于金屬的超聲電機(jī)相當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)力的情況下，基于聚苯硫醚的超聲電機(jī)的彈性體厚度更大。

通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)探索，Wu認(rèn)為PPS基彈性體和壓電陶瓷元件之間的機(jī)械常數(shù)存在顯著差異，并且這可能導(dǎo)致低的力因數(shù)。因此，受到聚苯硫醚的低機(jī)械常數(shù)的限制，聚苯硫醚基超聲電機(jī)的輸出扭矩很難通過(guò)調(diào)整尺寸來(lái)提高。

2018年，寧波大學(xué)李錦棒等研制了一種具有金屬/聚合物基復(fù)合材料定子的行波超聲波電機(jī)，如圖1所示。

圖1 聚合物基旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)模型

定子由金屬環(huán)和聚合物基齒組成，與同等體積定子重量相比減輕了33%。定子齒是通過(guò)模壓工藝制成的，組成材料的含量見(jiàn)表1。

表1齒材料含量

李錦棒等測(cè)量了在不同預(yù)加載下不同齒厚電機(jī)的扭矩特性，并與商業(yè)電機(jī)相比較，具體見(jiàn)表2。

表2聚合物基超聲電機(jī)與商用超聲電機(jī)的比較

采用金屬/聚合物基復(fù)合定子的超聲電機(jī)的**效率約為5.5%，比普通超聲電機(jī)的效率低72.5%。該超聲電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)是成本低、定子重量輕、加工效率高、使用壽命長(zhǎng)，可用于小扭矩和效率較低的情況。金屬/聚合物基旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的性能可以通過(guò)優(yōu)化齒材料來(lái)改善，這需要進(jìn)一步研究。

在之前研究的基礎(chǔ)上，Wu研發(fā)了一種三層結(jié)構(gòu)的新型振動(dòng)器，如圖2所示。

圖 2 聚苯硫醚 / 氧化鋁 / 壓電陶瓷三層振子

使用這種結(jié)構(gòu)，可以通過(guò)改變每層的尺寸來(lái)調(diào)整剛度。通過(guò)負(fù)載特性實(shí)驗(yàn)測(cè)得，三層振子電機(jī)的**輸出轉(zhuǎn)矩和功率分別是雙層振子電機(jī)的5倍和13倍，相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3   PPS/alumina/PZT三層振子與PPS/PZT雙層振子的超聲電機(jī)性能比較

氧化鋁的阻尼系數(shù)比聚合物低，所以三層振子比兩層振子的機(jī)械損耗更小。此外，三層電機(jī)的**厚度低于雙層電機(jī)，更有利于電機(jī)的輕質(zhì)化。這些優(yōu)勢(shì)表明了聚苯硫醚/氧化鋁/壓電陶瓷三層振子電機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的潛力。

為了克服聚合物基超聲電機(jī)輸出功率低的缺點(diǎn)，Wu等研究了高階彎曲模式的聚合物基超聲電機(jī)振動(dòng)特性。與低階振動(dòng)模態(tài)相比，高階彎曲模態(tài)的聚合物基超聲電機(jī)可提供更大的輸出扭矩和功率，并且具有噪聲小、功率密度大、定子厚度更小的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，高階振動(dòng)模態(tài)中的節(jié)點(diǎn)是理想的固定點(diǎn)，不會(huì)引起振動(dòng)損耗。因此，高階模態(tài)的聚合物基超聲電機(jī)可適用于驅(qū)動(dòng)相機(jī)或光學(xué)儀器的鏡頭。

2.2直線型超聲電機(jī)

直線型超聲電機(jī)是摩擦耦合式壓電作動(dòng)器的一種典型代表，它利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)激發(fā)彈性體微幅振動(dòng)，并通過(guò)摩擦作用將彈性體往復(fù)微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)化為作動(dòng)對(duì)象宏觀直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)直接推動(dòng)負(fù)載。

2018年，Wu等研究了具有夾心結(jié)構(gòu)的朗之萬(wàn)換能器，如圖3所示。

圖 3 換能器結(jié)構(gòu)

利用聚合物和金屬，制備了幾個(gè)尺寸相同的朗之萬(wàn)換能器，研究不同換能器的振動(dòng)特性。由不同材料制成的換能器的線性區(qū)域的振動(dòng)速度特性如表4所示，這表明聚合物基彈性體的**振動(dòng)速度普遍小于鋁基彈性體。

表4不同材料的線性區(qū)域的**振動(dòng)速度和定子振動(dòng)速度

不同聚合材料換能器的品質(zhì)因數(shù)與振動(dòng)速度的關(guān)系如圖4所示。

圖 4 不同材料超聲換能器的品質(zhì)因數(shù)與振動(dòng)速度關(guān)系

從圖4可以看出，由半結(jié)晶聚合物制成的換能器，與非晶聚合物相比顯示出較高的品質(zhì)因數(shù)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為聚合物基超聲電機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2020年，曹騰等研究了一種基于聚苯硫醚（PPS）的雙模壓電電機(jī)，如圖5所示。

圖 5 雙模壓電電機(jī)

利用Kelvin-Voigt黏彈性模型（圖6），基于鐵木辛柯梁理論建立了PPS電機(jī)動(dòng)力學(xué)的機(jī)電耦合解析模型，采用田口法對(duì)縱向和彎曲振動(dòng)的共振頻率進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。利用解析模型計(jì)算了超聲電機(jī)**縱振模態(tài)和第二彎振模態(tài)的特征頻率，并將其與有限元法和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

圖 6 Kelvin-Voigt 模型的示意圖

結(jié)果表明，該模型是有效的?；赑PS的電機(jī)在定子重量為5.4g，與同等體積的磷青銅材料相比，重量減輕了75%。

本文通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的總結(jié)與分類整理，對(duì)高分子聚合材料在超聲電機(jī)彈性體中的應(yīng)用情況作了較為詳細(xì)的介紹。由于高分子聚合材料的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，正受到超聲電機(jī)研究者的重視。特別是在酸性或堿性的工作環(huán)境中，聚合物基超聲波電機(jī)有可能成為化學(xué)工業(yè)機(jī)器人的關(guān)鍵致動(dòng)器。當(dāng)輸出力矩低、轉(zhuǎn)子速度慢等問(wèn)題成功解決后，還有可能在一些領(lǐng)域完全取代傳統(tǒng)的金屬基超聲電機(jī)。