PPS等替代金屬在超聲電機中的研究與應用

超聲電機（Ultrasonic Motor）不像傳統(tǒng)的電機那樣，利用電磁的交叉力來獲得其運動和力矩，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應和超聲振動來獲得其運動和力矩，將材料的微觀變形通過機械共振放大和摩擦耦合轉換成轉子的宏觀運動。

超聲電機是一種新型微特電機，具有結構緊湊、響應快、定位精度高、低速大扭矩以及斷電自鎖等優(yōu)點，廣泛應用于轎車電器、辦公自動化設備、精密儀器儀表、機械工程、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等領域。

超聲電機

超聲電機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動足處匯聚能量，增大超聲電機的輸出速度和推力。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、機械強度高、密度小、機械損耗小等特點。因此，在早期的研究中普遍選用金屬材料。

超聲電機

某些高分子聚合材料呈現(xiàn)出優(yōu)越的機械性能，如低彈性模量、小密度、耐磨性，并成功應用于機械領域。起初，高分子材料在超聲電機中作為摩擦材料使用，對此人們進行了大量的研究。但是，摩擦材料增加了定子結構的復雜程度，提高了生產成本。

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

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

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，并廣泛地應用于航空航天、電子電氣、石油化工和醫(yī)療醫(yī)藥等領域。聚合物很少單獨使用，多以玻璃纖維或無機填料的復合材料為主。

2高分子聚合材料的應用研究

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

2.1行波型旋轉超聲電機

行波型旋轉超聲電機（英文簡稱TRUM）是最具代表性的一種超聲電機，在當前應用最多。傳統(tǒng)金屬定子表面要黏結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，定子為復雜的齒狀結構，導致加工成本較高。與傳統(tǒng)的電磁電機相比，行波型旋轉超聲電機價格昂貴，其應用受到了限制。因此，通過改進定子的結構和材料來降低生產成本，有利于超聲電機的進一步發(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，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器。實驗表明，該超聲電機的工作方式與傳統(tǒng)金屬基超聲電機的相同。

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

為了提高聚合物基超聲電機的性能，Wu等對聚合物基超聲電機結構參數(shù)進行了初步研究。在產生與基于金屬的超聲電機相當?shù)尿寗恿Φ那闆r下，基于聚苯硫醚的超聲電機的彈性體厚度更大。

通過分析和實驗探索，Wu認為PPS基彈性體和壓電陶瓷元件之間的機械常數(shù)存在顯著差異，并且這可能導致低的力因數(shù)。因此，受到聚苯硫醚的低機械常數(shù)的限制，聚苯硫醚基超聲電機的輸出扭矩很難通過調整尺寸來提高。

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

圖1 聚合物基旋轉超聲電機模型

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%。定子齒是通過模壓工藝制成的，組成材料的含量見表1。

表1齒材料含量

李錦棒等測量了在不同預加載下不同齒厚電機的扭矩特性，并與商業(yè)電機相比較，具體見表2。

表2聚合物基超聲電機與商用超聲電機的比較

采用金屬/聚合物基復合定子的超聲電機的**效率約為5.5%，比普通超聲電機的效率低72.5%。該超聲電機的主要優(yōu)點是成本低、定子重量輕、加工效率高、使用壽命長，可用于小扭矩和效率較低的情況。金屬/聚合物基旋轉超聲電機的性能可以通過優(yōu)化齒材料來改善，這需要進一步研究。

在之前研究的基礎上，Wu研發(fā)了一種三層結構的新型振動器，如圖2所示。

圖 2 聚苯硫醚 / 氧化鋁 / 壓電陶瓷三層振子

使用這種結構，可以通過改變每層的尺寸來調整剛度。通過負載特性實驗測得，三層振子電機的**輸出轉矩和功率分別是雙層振子電機的5倍和13倍，相關數(shù)據如表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械損耗更小。此外，三層電機的**厚度低于雙層電機，更有利于電機的輕質化。這些優(yōu)勢表明了聚苯硫醚/氧化鋁/壓電陶瓷三層振子電機在實際應用中的潛力。

為了克服聚合物基超聲電機輸出功率低的缺點，Wu等研究了高階彎曲模式的聚合物基超聲電機振動特性。與低階振動模態(tài)相比，高階彎曲模態(tài)的聚合物基超聲電機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。同時，高階振動模態(tài)中的節(jié)點是理想的固定點，不會引起振動損耗。因此，高階模態(tài)的聚合物基超聲電機可適用于驅動相機或光學儀器的鏡頭。

2.2直線型超聲電機

直線型超聲電機是摩擦耦合式壓電作動器的一種典型代表，它利用壓電材料的逆壓電效應激發(fā)彈性體微幅振動，并通過摩擦作用將彈性體往復微幅振動轉化為作動對象宏觀直線運動，實現(xiàn)直接推動負載。

2018年，Wu等研究了具有夾心結構的朗之萬換能器，如圖3所示。

圖 3 換能器結構

利用聚合物和金屬，制備了幾個尺寸相同的朗之萬換能器，研究不同換能器的振動特性。由不同材料制成的換能器的線性區(qū)域的振動速度特性如表4所示，這表明聚合物基彈性體的**振動速度普遍小于鋁基彈性體。

表4不同材料的線性區(qū)域的**振動速度和定子振動速度

不同聚合材料換能器的品質因數(shù)與振動速度的關系如圖4所示。

圖 4 不同材料超聲換能器的品質因數(shù)與振動速度關系

從圖4可以看出，由半結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因數(shù)。這些實驗結果為聚合物基超聲電機的進一步優(yōu)化設計提供參考。

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

圖 5 雙模壓電電機

利用Kelvin-Voigt黏彈性模型（圖6），基于鐵木辛柯梁理論建立了PPS電機動力學的機電耦合解析模型，采用田口法對縱向和彎曲振動的共振頻率進行匹配設計。利用解析模型計算了超聲電機**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驗結果進行了比較。

圖 6 Kelvin-Voigt 模型的示意圖

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

本文通過對文獻的總結與分類整理，對高分子聚合材料在超聲電機彈性體中的應用情況作了較為詳細的介紹。由于高分子聚合材料的獨特優(yōu)點，正受到超聲電機研究者的重視。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有可能成為化學工業(yè)機器人的關鍵致動器。當輸出力矩低、轉子速度慢等問題成功解決后，還有可能在一些領域完全取代傳統(tǒng)的金屬基超聲電機。