超声波悬浮轴承小电机测量系统的设计与初步试验

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1、超声波悬浮轴承小电机测量系统的设计与初步试验王冬，潘(南京航空航天大学松，黄卫清江苏南京210016)摘要：采用超声悬浮轴承克服摩擦影响．利用涡流制动原理进行非接触加载，将扭矩转化为力的测量。采用电子天平和Labview虚拟仪器得出扭矩和速度数据．从而得出电机的机械特性。分析了测量原理，进行了超声波轴承的减摩实验。关键词：超声振动；压电换能器；有限元分析0引言近年来，随着各种微小电机的迅速发展，迫切要求能够对微小电机的扭矩进行测试测量，得出微小电机的机械特性曲线。以根据测量结果优化电机设计、改进

2、设计理论、改进和提高电机性能，同时也能够获得微小电机作为产品出厂前的性能参数，为微小电机的产业化打下了良好基础。微小电机输出转矩小，常为mNm量级，摩擦对测试的精度、分辨率有很大影响。目前的几种测试方法基本都是基于接触的间接方式进行的。如1．Giouroudi的扭丝测量法⋯，能够测量106Nm量级的扭矩。同济大学万德安采用应变片测量微扭矩引起的形变可测得·30—30raN·m的静态转矩”’。本文提出的测量系统采取超声波轴承克服摩擦的影响，采用涡流制动原理非接触加载，通过虚拟仪器实现自动测量。机械

3、特性测量系统的结构和工作原理本文提出的测试系统结构如图1所示，由超声波轴承、电磁铁、杠杆、天平、计算机等组成“薯。。图1系统总体结构电机通过一根细长轴带动码盘旋转，将电机的输出扭矩有效的传递到码盘上。电磁铁为马蹄形电磁铁，头部开槽。码盘在马蹄形电磁铁开槽的缝隙中旋转。由电磁铁对码盘进行非接触加载，将对旋转扭矩的测量转化为对电磁力的测量，通过杠杆的放大作用，将电磁力放大，通过天平读出杠杆平衡时的读数，经过换算．即为电机的扭矩值。码盘的转速即为电机转速值。由计算机通过RS232接口和天平进行连接，通

4、过Labview的测试和绘图功能得到电机的机械特性曲线。采用超声波轴承克服输出轴摩擦和径向载荷的影响，在超声波轴承工作时．超声振动造成了振子头部与轴系凹槽表面的间断接触，在接触表面形成接触、悬浮的周期过程。在振子和轴系脱离时刻，如图2所示，振子头部和轴系凹槽之间存在悬浮间隙，超声振动使间隙中的空气挤压产生挤压膜润滑。由于空气具有粘性作用，轴系的旋转又将空气压入楔形间隙产生动态润滑。两种润滑共同作用使超声波轴承获得了较大承载能力和较小的摩擦系数n3。振子和轴系接触时刻如图3所示，超声振动使接触时间

5、明显减少，使超声波轴承工作时表现出减摩特性。轴系ll，l槽图2振子和轴系表面悬浮示意图轴系llq糟图3振子和轴系表面接触示意图由电磁铁对码盘进行自动加载，为简化计算，我们假设码盘为一薄圆盘如图4所示，当码盘以速度y旋转时，磁铁受到大小为Fl的力，通过杠杆作用放大为大小为尼的力。根据牛顿第三定律，杠杆受到的作用力Fl等于码盘受到的作用力F，通过测量R，我们通过换算即可得到电机的扭矩。图4码盘受力示意图由：T=F·rF=吼lJ=二尺e=BoIV可得：丁=峨l，．=—(Bol百r)2一·2X·，l(1

6、)m=TB0212r2x·，l(2)球一m=足·，l(3)式中：T为电机输出扭矩：F为圆盘所受作用力；，为涡流电流值；R为涡流所流经的铜片电阻值；y为圆盘转速：m为天平显示质量。我们假设电磁铁缝隙中的磁场强度为0．5T，圆盘切割磁力线的长度为10mm，圆盘半径为35ram，圆盘用铜制作。即：80=0．5TZ=10turn，．=35rnrn为简化计算，我们假设圆盘切割磁力线部分为-d,立方体，圆盘电阻为：．．182．．‰=p*{=1．7x10-s面丽0．01=5．67×10-5Q0．52·(10x

7、1041‘e35xlO。·扭，‰2—1面焉而F一。8舨炉却01m=00I”当转速n为l～10r／s(60-600r／rain)时，天平显示质量m为10一1009，标称范围在普通电子天平量程内，可以采用涡流加载的方法，通过公式l换算得出对应的电机扭矩值。2测试系统的结构设计和有限元分析21超声波轴承的结构设计和有限元分析本文提出的超声波轴承由压电换能器、轴系、振子支架、电机支架、电机、基座等组成。压电换能器是两个头部为锥形的中空的兰杰文振子。压电陶瓷片为PzT一8纵振片。在两个振子的电极片上施加超

8、声频率的交流激励电压．利用压电材料的逆压电效应，使振子产生一阶纵振。兰杰文振于是超声波轴承的重要元件，起到将电能转化为振动能的作用，振子头部的振动模态直接影响到超声悬浮的效果。振子结构如图5所示，由下配重、上配重、压电片、电极片、螺母5部分组成。整个兰杰文振子设计长度为加⋯。为得到较高的前后振速比，上配重采用声阻抗率较低的硬铝，下配重采用声阻抗率较高的45钢，兰杰文振子和振子支架连接部分设计为节面。炎j≯j图5兰杰文振子结构应用有限元法分析兰杰文振子的振动模态。采用ANSYS软件作为分析工具”1