行波型與復(fù)合型超聲波電機(jī)的比較

    趙衡兵，郭吉豐，陳永校

    (浙江大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系，浙江杭州  310027)

摘  要：介紹了行波型和復(fù)合型超聲波旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理，從其產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的饑?yán)沓霭l(fā)，分折了各自所利用的模態(tài)及驅(qū)動(dòng)接觸面的情況，設(shè)計(jì)思路和控制方法上的異同。

關(guān)鍵詞：行波型超聲波電．機(jī)；駐波型超聲波電．機(jī)：復(fù)合型超聲波電．機(jī)

l  引  言

    微型機(jī)械是近幾年發(fā)展起來的一個(gè)嶄新的研究領(lǐng)域，作為世界矚目的重大研究方向，現(xiàn)已經(jīng)受到世界上各發(fā)達(dá)國家的普遍重視和深入研究，而且對作為微型機(jī)械的核心——微電機(jī)也提出了越來越高的要求。超聲波電機(jī)作為微特電機(jī)的一種，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、斷電自保持、能獲得低速大轉(zhuǎn)矩、可用于直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，在航空航天、微型機(jī)械、機(jī)器人、自動(dòng)控制等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

    超聲旋轉(zhuǎn)電機(jī)是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應(yīng)，把電能直接轉(zhuǎn)換成超聲頻域內(nèi)的振動(dòng)，通過摩擦驅(qū)動(dòng)與其接觸的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。其基本原理是利用壓電陶瓷材料激發(fā)出定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)其激發(fā)橢圓運(yùn)動(dòng)的方式不同，可分為行波型和駐波型兩種。

    目前所見旋轉(zhuǎn)超聲波電機(jī)的文章多為行波型的，相對來說行波型超聲波電饑的研究日趨完善，在日本已實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，但從提高電機(jī)的力能指標(biāo)來看，復(fù)合型超聲波電饑更具有優(yōu)勢。

2行波型和復(fù)合型超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)

    行波型超聲波電機(jī)的常見結(jié)構(gòu)如圖1所示，由壓電陶瓷片、帶齒的定子彈性體、摩擦材料、轉(zhuǎn)于等組成，轉(zhuǎn)子以一定的壓力與定子接觸，定子彈性體上的齒起振幅放大作用。“+”“-”代表壓電片的極化方向相反，兩組壓電片空問相差λ／4．棚當(dāng)于π/2．分別通以同頻、等幅、相位相差π/2的超聲頻域的交流信號(hào)。

    復(fù)合型超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式較多，有的采用模態(tài)變換振子，如斜槽形式，三腳梁形式；有的采用縱扭振子復(fù)合，本文針對正反轉(zhuǎn)特性一致的縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)給予介紹，其常見結(jié)構(gòu)如圖2所示，縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)主要m夾心式定于和轉(zhuǎn)子組成，縱、扭壓電振子夾在彈性體之間構(gòu)成定子，轉(zhuǎn)子通過一碟簧以一定的壓力與定子接觸，轉(zhuǎn)子與定子接觸的端面上涂敷有一層摩擦材料，以增大摩擦系數(shù)及減小定轉(zhuǎn)子問的磨損。縱振子由兩片厚度方向極化的陶瓷環(huán)組成，扭轉(zhuǎn)振子由多片切向極化的扇形片組成，圖中箭頭所示方向?yàn)閴弘娞沾傻臉O化方向。縱扭振子分別通以同頻、有一定相位差的交流信號(hào)。

3行波型和復(fù)合型超聲波電機(jī)的運(yùn)行原理

    行波型和復(fù)合型超聲波電機(jī)都是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，激發(fā)出定子彈性體表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓振動(dòng)，通過摩擦力驅(qū)動(dòng)以一定壓力與其接觸的轉(zhuǎn)子作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但兩者激發(fā)定子表面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動(dòng)的方式不同。

    行波型超聲波電機(jī)是利用時(shí)間相位差π／2的兩組交流信號(hào)分別作用在空問相位差為π／2的兩組壓電片上，兩組信號(hào)頻率、幅值相同，分別在定子中激發(fā)出兩組空間和時(shí)問上相位相差π／2的駐波

y=yl+y2=Asin(x+ωt)    (3)

由角尺傳動(dòng)原理可得齒頂切向的位移為：

式中  h——齒頂?shù)綇椥原h(huán)中性面的距離定子齒頂部質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為一橢圓：

    縱一扭復(fù)合型超聲波電機(jī)由兩個(gè)振子：一個(gè)縱振子和一個(gè)扭轉(zhuǎn)振子激勵(lì)，縱振子產(chǎn)生軸向振動(dòng)，由控制定子和轉(zhuǎn)子問的摩擦力，轉(zhuǎn)扭振子產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，用以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子輸出力矩。其中兩振子的驅(qū)動(dòng)電壓頻率相同。假設(shè)在縱、扭振子激勵(lì)下，定子表面質(zhì)點(diǎn)沿軸向和切向分別作簡諧振動(dòng)，且相位差為π／2，其位移分別為：

則定子表面質(zhì)點(diǎn)的合成運(yùn)動(dòng)方程為：