一種改進型共軸并聯式超聲波電機設計
張焱，胡敏強，宋愛國，靳宏，金龍
（東南大學伺服控制技術教育部工程研究中心，南京210096）
摘要：為提高傳統環形行波型超聲波電機的輸出轉矩，研制了一種改進型共軸并聯式雙定子雙轉子超聲波電機。與傳統行波型超聲波電機相比，這一電機在保證驅動電源和直徑不變的基礎上，通過略微增加的體積，將輸出轉矩在理論上增加一倍。同時，通過對這種電機的樣機進行實驗檢測，輸出轉矩較同型號超聲波電機增加百分之80，表明該電機具有實際生產價值和廣闊的應用前景。
關鍵詞：行波超聲電機；大力矩；共軸并聯
中國分類號：tm359.9 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)02-0037-04
0引 言
超聲波電機是一種利用壓電材料的逆壓電效應，把電能轉換成彈性體的超聲振動，并通過摩擦傳動的方式，將超聲振動轉換成轉子運動的電動機。其中行波型超聲波電機利用的是彎曲一彎曲振動模態，定、轉子間的接觸是局部面接觸，定子連續推動轉子旋轉，大大降低了定、轉子接觸界面的磨損。因此，環形行波型超聲波電機除擁有響應快、低速大轉矩、無輸入自鎖、不受電磁干擾等優點之外，還具有壽命長、傳動效率高等優點。
由于行波型超聲波電機的定、轉子之間是局部接觸，使得輸出轉矩較小。為解決這一問題，******易行的方法是通過增大電機直徑和軸向壓力的方法。但是，直徑的增加直接導致了電機體積大幅度地加大；而軸向壓力的增加又將導致電機內部摩擦損耗的加劇，降低了電機的使用壽命。為解決這一問題，本文提出一種改進型共軸并聯式雙定子雙轉子結構，從電機結構上進行重新設計，在不過多螬加體積和保證電機各項性能指標的基礎上，提高電機的輸出轉矩和輸出功率。
1結構設計
改進型共軸并聯式超聲波電機是在傳統的umt60型超聲波電機的基礎上進行改進，只提高電機的輸出轉矩和功率，而不改變電機的其他工作性能，其結構圖如圖1所示。
改進型共軸并聯式超聲波電機由一個轉軸、兩個定子和兩個轉子，以及安裝固定底座和端蓋組合而成。兩個定子粘貼壓電陶瓷和摩擦材料后，通過螺絲分別與底座和端蓋固定在一起。兩個轉子裝配在同一根軸上后，軸的兩個輸出端由固定在底座和端蓋上的軸承中伸出。由此形成共軸雙定子雙轉子行波型超聲波電機。
在圖l所示改進型共軸并聯式超聲波電機結構圖中，有以下特點：
1)同軸的兩個定、轉子結構與標準umt60型環形行波型超聲波電機的定轉子結構相同。利用機械零件加工的一致性和優化選擇，保證兩個定子性能一致。
2)在兩個定子上，與轉子相接觸的面上分別粘貼摩擦材料，以減少電機轉動過程中的摩擦損耗，延長電機的使用壽命。
3)在兩個定子上，靠近底座和端蓋的面上分別粘貼壓電陶瓷片，保證定子在電源的驅動下，按照預定的方式振動，用以驅動轉子旋轉。
4)通過對轉軸結構的改變，使之卡在底座和端蓋的軸承間，用以提高電機軸向的耐振動沖擊能力。
5)轉軸提供了兩個輸出端。一端從底座伸出，用以帶動負載；另一端從端蓋伸出，用以直接與傳感器連接。
由此設計，便實現了環形行波型超聲波電機的雙定子雙轉子共軸工作方式。兩套相同結構的定、轉子不僅在同一根軸上實現了轉矩疊加，提高了電機的輸出轉矩；還使得彼此之間有一定的獨立性，消除了兩個定子在振動過程中的相互影響。
2設計原理
由于這一電機中任意一套定轉子結構和傳統umt60型環形行波型超聲波電機結構完全相同：定轉子均為環形結構；其中，定子上開有齒槽，定子同轉子接觸面覆有一層特殊的摩擦材料，定子背面粘接上壓電陶瓷。因此它侗的工作原理也相同：通過對極化后的兩相壓電陶瓷片同時施加頻率相同的交流電壓，保證這兩相電壓在空間上和時間上相位均相差90度，從而在定子上產生行波；于是定子上的質點產生橢圓運動，進而依靠定轉子間的接觸摩擦驅動轉子帶動轉軸旋轉。
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