超聲電動機模型分析的研究
胡敏強1，顧菊平1，2，莫岳平1，金 龍1，王心堅1，徐志科1，石 斌1
(1．東南大學，江蘇南京21009612．南通工學院．江蘇南通226007)
擒要：針對超聲電動模型，第一次對其分析方法進行了對比分析．綜合析法、有限元法和致電路法的特點．建立了一套行之有效的行渡超聲電動機分析方法．并成功設計了專和產晶——均壓型行波趕聲電動機及其驅動控翻囂．該方法為翹聲電動機的驅動控翻簟略和控翻方法的實現羹定了理論基磚．為樣機設計提供了際經鹼．對我國翹聲電動機產業化及其原材科的一產化作了有效攝索．
關鍵詞：超聲電動機； 模型分析；等效電路法：FEA
中圖分類號：TM38l 文獻標識碼：A 文章編號：11001—6848(2002)01—0006--O5
1 引 言
隨著現代科學技術的迅速發展，電子設備、精密儀器、光學系統以及各種工廠、辦公自動化設備要求小型化、精密化、環保化，對散電機伺服控鍘系統提出了越來越高的性能指標要求(如：低速大轉矩、快速精密定位、良好的電磁兼容、低噪聲甚至靜音設計等)．傳統驅動控制系統主要依靠伺服電機驅動．如要獲得定位控制系統所要求的低速大轉炬，就必須使用壤遺傳動機構．這不僅增加了機械部件的復雜性和系統體積、重量．而且減速齒輪對驅動系統的反沖效應、對進繪量的放大效應等邦嚴重影響系統的其它性能．嚴重阻礙了系統中控制的快速性和精性[1]．多年來．為解決這一“瓶頸”．科技界和工業界就一直致力于尋求各種更為適宜的直接驅動方式，以滿足各種裝置小型化和精密化的要求，超聲電動機恰好彌補傳統電磁式電機在驅動控鑭系統應用中的不足．
超聲電動機(Ultrasonic Motors，簡稱USM)是20世紀80年代發展起來的一種直接驅動電機．由于其性能****，應用前景廣泛．備受人們重視，它已成為當前機電控制領域的一個研究熱點，并列人國家“十五”規劃，長期以來，超聲電動機及其驅動控器的研究大多通過實驗．耍獲得****樣機設計和****工作特性，需要消耗大量時問和資源．這導致超聲電動機不僅性價比不高．控制手段與控制策略單一．而且國內原材料及加工工藝不能配套，都直接影響超聲電動機的應用研究和產業化進程．因而尋求更有效的USM分析手段和設計方法一直是超聲電動機領域研究的重點．
實用的定性、定量分析有解析法(能量法)、有限元法、等效電路法．作者在超聲電動機的研究開發中，針對各種方法的優缺點，揚長避短，摸索了一套行之有效的分析方法：首先利用解析法．即基予HamiIton能量原理對定子進行效學建模．導出整個電動機的運動分析梗珊，再用有限元方法對定子撮動模態進行精確的分析與計算．井分析電動機幾何尺寸、粘按層對振動性能的影響，最后用等效電路法來進行超聲電動機驅動控制電路的設計與制作．設計的定子直徑為lOOmm(國內****)的均壓型行波超聲電動機獲得國家專利，該電動機的原材料全部國產化．通過外協的配合．作者解決了原材料加工困難及工藝要求精密等同題．實驗結果表明．這種綜合方法是實用有效的．為超聲電動機及其驅動控制技術的研究提供了寶貴的經驗．為超聲電動機的產業化及國內原材科基礎工業及工藝的發展提供了理論分析方法和實用分析手段．
2解析法
2．1辯析法在趨聲電動機中的應用
旋轉塑、直線型超聲電動機的動態設計已成為世界范圈內的一個重要研究課題。為實現超聲電動機的綜合設計，需要一個能夠反映驅動機理的解析公式．用于分析各種材料特性和結構尺寸對電動機性能的影響．為電動機的優化設計提供工具．Hagedorn論證了定子自由振動的簡單模型；Maeno使用解析模型和有隈元相結合的方法研究了電動機接觸機理和相互作用，Zharii研究了USM定轉子問的光滑接觸和粘附接觸，并導出了相關應力、位移及速度的分布研究了環形壓電定子的動力學問題; WaIlaschek討論了USM中不同接觸模型;Hag00d提出了一個普遍的壓電旋轉電動機的舸析公式，為分析目前大部分USM提供解析分析的框架;Mass建立了能夠用于控制的解析模型。
2．2超聲電動機梗型的描述和組成Ⅲ
USM的運行特性取決于定子振動的形狀、頻率和幅值，接觸層的尉度、阻尼、摩擦特性，轉子的黍性．垂直預壓力．定轉子的靜態彎曲等渚多因素。很難建立一個普遍的模型包含以上所有因素，因而，往往針對特定的應用和研究需要建立面向特定問題的筷墨。通常的分析步驟為：首先根據定子搬動結構， |
