PPS在超声电机中的应用

PPS等替代金属在超声电机中的研究与应用

超声电机（Ultrasonic Motor）不像传统的电机那样，利用电磁的交叉力来获得其运动和力矩，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来获得其运动和力矩，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动。

超声电机是一种新型微特电机，具有结构紧凑、响应快、定位精度高、低速大扭矩以及断电自锁等优点，广泛应用于轿车电器、办公自动化设备、精密仪器仪表、机械工程、航空航天、医疗卫生等领域。

超声电机

超声电机定子一般由压电陶瓷和弹性体制成，其中弹性体的作用是在驱动足处汇聚能量，增大超声电机的输出速度和推力。弹性体作为能量流通道以及最大能量的输出处，所选材料需满足弹性大、机械强度高、密度小、机械损耗小等特点。因此，在早期的研究中普遍选用金属材料。

超声电机

某些高分子聚合材料呈现出优越的机械性能，如低弹性模量、小密度、耐磨性，并成功应用于机械领域。起初，高分子材料在超声电机中作为摩擦材料使用，对此人们进行了大量的研究。但是，摩擦材料增加了定子结构的复杂程度，提高了生产成本。

2015年，基于聚苯硫醚（PPS）材料低密度、低弹性模量、低机械损耗的特点，Wu等首次利用PPS材料制作了几种轻质化定子和转子，通过实验研究其最佳匹配性能，该方案可显著减小微机械系统的质量并提高其可操作性。

随后，基于有机材料的超声电机得到了持续研究，这种非金属材质定子的出现为超声电机的微型化、轻质化发展开辟了崭新的研究方向，使其应用场景有望向重视生物兼容性的医疗器械领域延伸。

1高分子聚合材料

常用的特种高分子材料有聚酰亚胺（PI）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚醚酮（PEEK）等。它们具有优异的力学性能、耐高低温性、耐腐蚀、耐磨损以及易加工等特性，并广泛地应用于航空航天、电子电气、石油化工和医疗医药等领域。聚合物很少单独使用，多以玻璃纤维或无机填料的复合材料为主。

2高分子聚合材料的应用研究

高分子聚合物具有低密度和低弹性模量的特点，是制造高能量密度超声波电机的理想材料，为超声电机研究者提供了新的研究方向。

2.1行波型旋转超声电机

行波型旋转超声电机（英文简称TRUM）是最具代表性的一种超声电机，在当前应用最多。传统金属定子表面要黏结一层薄的聚合物基体薄膜，用于提高耐磨性。由于这层基体薄膜厚度小且具有弹塑性，所以加工效率较低。

同时，定子为复杂的齿状结构，导致加工成本较高。与传统的电磁电机相比，行波型旋转超声电机价格昂贵，其应用受到了限制。因此，通过改进定子的结构和材料来降低生产成本，有利于超声电机的进一步发展。

2015年，Wu等提出了一种基于聚合物振子的行波超声波电机，使用聚苯硫醚作为弹性体，并且将一片环形压电陶瓷元件黏合到聚苯硫醚基弹性体的底部以形成振动器。实验表明，该超声电机的工作方式与传统金属基超声电机的相同。

然而，新型超声电机的扭矩只有同直径的商用金属基超声电机扭矩的5%，而且只能承受小的载荷。与金属定子相比，聚合物基超声电机在力学性能方面还有很大差距。

为了提高聚合物基超声电机的性能，Wu等对聚合物基超声电机结构参数进行了初步研究。在产生与基于金属的超声电机相当的驱动力的情况下，基于聚苯硫醚的超声电机的弹性体厚度更大。

通过分析和实验探索，Wu认为PPS基弹性体和压电陶瓷元件之间的机械常数存在显著差异，并且这可能导致低的力因数。因此，受到聚苯硫醚的低机械常数的限制，聚苯硫醚基超声电机的输出扭矩很难通过调整尺寸来提高。

2018年，宁波大学李锦棒等研制了一种具有金属/聚合物基复合材料定子的行波超声波电机，如图1所示。

图1 聚合物基旋转超声电机模型

定子由金属环和聚合物基齿组成，与同等体积定子重量相比减轻了33%。定子齿是通过模压工艺制成的，组成材料的含量见表1。

材料	质量分数/%	网格数
聚四氟乙烯	48	400#
聚酰亚胺	12	800#
碳纤维	8	800#
玻璃纤维	10	600#
青铜粉	11	325#
其他改性剂	11	400#

表1齿材料含量

李锦棒等测量了在不同预加载下不同齿厚电机的扭矩特性，并与商业电机相比较，具体见表2。

参数	聚合物基超声电机	商用超声电机
定子直径/mm	60	60
定子重量/g	41.5	62
摩擦材料层	不需要	需要
最大速度/（r/min）	85	120
最大扭矩/（N·m）	0.5	0.8
最大效率/%	5.5	20
寿命/h	>10000	2000

表2聚合物基超声电机与商用超声电机的比较

采用金属/聚合物基复合定子的超声电机的最大效率约为5.5%，比普通超声电机的效率低72.5%。该超声电机的主要优点是成本低、定子重量轻、加工效率高、使用寿命长，可用于小扭矩和效率较低的情况。金属/聚合物基旋转超声电机的性能可以通过优化齿材料来改善，这需要进一步研究。

在之前研究的基础上，Wu研发了一种三层结构的新型振动器，如图2所示。

图 2 聚苯硫醚 / 氧化铝 / 压电陶瓷三层振子

使用这种结构，可以通过改变每层的尺寸来调整刚度。通过负载特性实验测得，三层振子电机的最大输出转矩和功率分别是双层振子电机的5倍和13倍，相关数据如表3所示。

性能	三层振子超声电机	双层振子超声电机
250V/m时最大输出扭矩/（N·m）	15.2	2.9
最大输出扭矩对应的最佳厚度/mm	2（s=1mm，t=1mm）	8
力因数/（N/V）	0.4	0.1
比率vr/vz	0.9	2.5
250V时的最大空载转速/（rad/s）	8.9	16.1
最大空载转速对应的最佳厚度/mm	2	2
250V时的最大输出功率/mW	39.1	3.0
最大输出功率对应的最佳厚度/mm	2	2
机电耦合系数/%	7.9	0.4
最大效率/%	8.3	4.8
最大功率密度/（W/kg）	10.3	2.5

表3  PPS/alumina/PZT三层振子与PPS/PZT双层振子的超声电机性能比较

氧化铝的阻尼系数比聚合物低，所以三层振子比两层振子的机械损耗更小。此外，三层电机的最佳厚度低于双层电机，更有利于电机的轻质化。这些优势表明了聚苯硫醚/氧化铝/压电陶瓷三层振子电机在实际应用中的潜力。

为了克服聚合物基超声电机输出功率低的缺点，Wu等研究了高阶弯曲模式的聚合物基超声电机振动特性。与低阶振动模态相比，高阶弯曲模态的聚合物基超声电机可提供更大的输出扭矩和功率，并且具有噪声小、功率密度大、定子厚度更小的优点。同时，高阶振动模态中的节点是理想的固定点，不会引起振动损耗。因此，高阶模态的聚合物基超声电机可适用于驱动相机或光学仪器的镜头。

2.2直线型超声电机

直线型超声电机是摩擦耦合式压电作动器的一种典型代表，它利用压电材料的逆压电效应激发弹性体微幅振动，并通过摩擦作用将弹性体往复微幅振动转化为作动对象宏观直线运动，实现直接推动负载。

2018年，Wu等研究了具有夹心结构的朗之万换能器，如图3所示。

图 3 换能器结构

利用聚合物和金属，制备了几个尺寸相同的朗之万换能器，研究不同换能器的振动特性。由不同材料制成的换能器的线性区域的振动速度特性如表4所示，这表明聚合物基弹性体的最大振动速度普遍小于铝基弹性体。

材料	线性区域的最大振动速度vt/（mm/s）	定子振动速度vs/（mm/s）
聚苯硫醚（PPS）	1060	1120
聚醚砜（PES）	108	148
聚醚醚酮（PEEK）	116	179
聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）	64	104
聚甲醛（POM）	60	94
聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）	100	128
聚酰胺（PA）	9	13
聚醚酰亚胺（PEI）	32	58
酚醛塑料（PF）	132	150
铝	1400	2000

表4不同材料的线性区域的最大振动速度和定子振动速度

不同聚合材料换能器的品质因数与振动速度的关系如图4所示。

图 4 不同材料超声换能器的品质因数与振动速度关系

从图4可以看出，由半结晶聚合物制成的换能器，与非晶聚合物相比显示出较高的品质因数。这些实验结果为聚合物基超声电机的进一步优化设计提供参考。

2020年，曹腾等研究了一种基于聚苯硫醚（PPS）的双模压电电机，如图5所示。

图 5 双模压电电机

利用Kelvin-Voigt黏弹性模型（图6），基于铁木辛柯梁理论建立了PPS电机动力学的机电耦合解析模型，采用田口法对纵向和弯曲振动的共振频率进行匹配设计。利用解析模型计算了超声电机第一纵振模态和第二弯振模态的特征频率，并将其与有限元法和实验结果进行了比较。

图 6 Kelvin-Voigt 模型的示意图

结果表明，该模型是有效的。基于PPS的电机在定子重量为5.4g，与同等体积的磷青铜材料相比，重量减轻了75%。

本文通过对文献的总结与分类整理，对高分子聚合材料在超声电机弹性体中的应用情况作了较为详细的介绍。由于高分子聚合材料的独特优点，正受到超声电机研究者的重视。特别是在酸性或碱性的工作环境中，聚合物基超声波电机有可能成为化学工业机器人的关键致动器。当输出力矩低、转子速度慢等问题成功解决后，还有可能在一些领域完全取代传统的金属基超声电机。

参考资料：高分子聚合材料在超声电机弹性体中的研究与应用，梁晨光等，南京航空航天大学

原文始发于微信公众号（艾邦高分子）：PPS在超声电机中的应用