复合式超声波电机的原理及前期设计

【摘　要】　从复合式超声波电动机的结构入手，对其进行了分类，定性分析了不同结构超声波电动机的工作原理及其特性，并对纵-扭复合式超声波电动机设计中的关键问题进行剖析，为电机的结构设计提供理论依据。
【关键词】　复合式　超声波电动机　模态简并
【Abstract】　The article classified hybrid ultrasonic motors based on their structures,analized the working principles and charactcrs of different ultrasonic motors qualitatively.Futhermore,the article dissected key points in designing of jump-twist hybrid type ultrasonic motors and provided theretical basis for the c******tructional design of the motor.
【Keywords】　hybrid　ultrasonic motor　modal matching
1引　言
　　超声波电动机是80年代初研制成功的，是一种将压电振子在超声域的振动能转换成机械能的电动机。其原理完全有别于传统的电磁感应的电动机，以大力矩，低转速、抗电磁干扰和响应快等优良性能，成为一种新颖的微特电动机，已引起国内外电机工程界的关注。目前已研制出各种型式的超声波电动机产品，用于家用电器、光学仪器、机器人、航天工程、办公设备和汽车电器等领域，发展前景广阔。
　　复合式超声波电动机与行波型超声波电动机相比，可得到更高的单位体积的输出力矩，无损检测资源网是行波型电动机的十几倍，目前最大转矩已达到40N.m［1］，但其设计也相应地复杂，本文分析了不同的纵—扭复合式超声波电动机的结构和原理，以及设计中应注意的问题，并简述其应用。
2原理与结构
　　复合式超声波电动机的工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应产生的振动在弹性体表面合成质点的椭圆运动，通过摩擦力驱动与其接触的转子产生旋转运动，按椭圆运动产生的机理可分为纵—弯—扭复合式超声波电动机(图1)和纵—扭复合式超声波电动机(图2)，纵—弯—扭复合式和纵—扭复合式超声波电动机又有不同的结构形式。如图1和图2所示。

(a)　　　　　　　　　　　　(b)
图　1

(a)　　　　　　　　　　　(b)
图　2
　　纵—弯—扭复合式超声波电机［2，3］(图1a和b)由一个纵振子产生轴向振动，经转换振子进行模态变换—纵—弯—扭，定子表面质点做椭圆运动，通过摩擦力驱动与其接触的转子产生旋转运动。转换振子虽结构各异，但其作用相同，起到将纵振动的一部分转换扭转振动，在定子表面合成质点的椭圆运动。图1a的转换振子为一圆桶，在其表面均匀开有与轴线成45°的细长槽，图1b的转换振子底部有三个脚，顶部有三个梁，底脚和梁的位置沿圆周差开一定角度,模态变换前后的转换振子如图3所示。

变换前

变换后
图　3
　　纵—扭复合式超声波电机(图2a和b)由两个振子—一个纵振子和一个扭转振子激励，纵振子产生轴向振动，以控制定子和转子间的摩擦力，扭转振子产生扭转振动，用以驱动转子输出力矩。其中两振子的驱动电压频率相同，相位相差π/2。将其中任一振子驱动电压反向，转子转速反向。图2a两振子分别固定在定、转子上，与图2b相比，转动部分需要滑环和电刷，电机的结构较复杂。假设在纵、扭振子激励下，定子表面质点沿轴向和切向分别做简谐振动，其位移为：
y＝Bsin(ωt)
x＝Acos(ωt)
则定子表面质点的合成运动方程为：
(x/A)2+(y/B)2＝1
其轨迹是椭圆，纵—扭复合式超声波电机的运行原理示意图如图4所示。