薄型超声电机两相及单相激励时的工作机理分析与实验研究doc13(1)867.docx

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1、薄型超声电电机两相及及单相激励励时的工作作机理分析析与实验研研究摘 要：该该文对环状状超声电机机定子中的的行波的特特征进行了了分析，探探讨了行波波状态下电电机定子端端面质点椭椭圆运动轨轨迹与矩形形板表面质质点椭圆运运动轨迹之之间的差异异。指出了了圆环定子子内圆周侧侧面中的部部分区域具具有对电机机转子的推推动作用。据据此设计了了一种可实实现电机薄薄型化的新新结构，并并制作了样样机，完成成了电机定定子性能测测试和电机机运行实验验。运行实实验结果表表明，样机机运转平稳稳，具有较较大的输出出转矩。实实验中还发发现，电机机在只输入入单相交变变电压时仍仍能实现正正常运转，分分析了这一一现象产生生的机理。依

2、依据上述机机理，可以以设计一种种新型驻波波超声电机机。关键词：超超声电机；椭圆运动动；定子1 引言言 压压电超声电电机是一种种有别于电电磁电机的的新型电机机，它首先先利用压电电陶瓷的逆逆压电效应应激发电机机定子的超超声振动，然然后借助于于电机定子子和转子之之间的摩擦擦耦合驱动动电机转子子运动。 由由于所利用用电机定子子振动模态态的不同，压压电超声电电机在性能能及结构上上具有各自自不同的特特点。通常常的环状行行波压电超超声电机利利用圆环定定子的弯曲曲振动模态态，此类电电机定、转转子的接触触界面为圆圆环平面，电电机定子和和转子沿轴轴向接触。关关于此类电电机的研制制，已有研研究者做过过不少有意意义的

3、工作作1-77。文献献1和和2分分别提出了了此类电机机设计和特特性预估的的方法。文文献3用有限元元法进行了了电机定子子的响应分分析，研究究了定子直直径对定子子振动的影影响。文献献4提提出了一种种基于定子子齿三维运运动的行波波超声电机机，并对定定子齿的三三维运动进进行了探讨讨。与利用用圆环定子子非轴对称称模态的另另一类环状状超声电机机相比，此此类行波超超声电机的的优势在于于能输出较较大的转矩矩，但电机机厚度的减减小受到电电机定子和和转子沿轴轴向接触结结构的限制制。本文试试图在实现现电机结构构薄型化的的同时又使使电机具有有较大的输输出功率。为为此，对电电机定子质质点行波状状态下的运运动轨迹进进行了

4、分析析，提出了了一种新的的电机结构构，实际制制作了样机机，并进行行了定子扫扫频实验和和样机运转转实验，给给出了样机机定子扫频频实验和样样机运转实实验的结果果。在样机机运转实验验中，发现现电机在只只输入单相相交变电压压时仍能实实现正常运运转，本文文分析了这这一现象产产生的机理理。依据上上述机理，可可以设计一一种新型驻驻波超声电电机。2 电机结结构 图1为本本文提出的的电机结构构简图，其其中的外圈圈为圆环型型定子，转转子安装在在定子内圈圈。电机的的转子由两两块半圆柱柱型零件和和弹簧组成成，弹簧安安装于两半半圆柱型零零件的内部部，通过此此弹簧产生生的弹力使使转子的外外圆周侧面面和电机定定子的内圆圆周

5、侧面相相互接触。 如如图2所示示，电机定定子由环型型钢片与环环型压电陶陶瓷片粘结结而成。定定子的前后后两面为压压电陶瓷片片，中间一一层为环形形钢片。在在此钢片的的内圆周侧侧面上均匀匀分布矩形形小齿，钢钢环的内圆圆周面做成成两端为圆圆台面中间间为圆柱面面的结构。相相应地，电电机转子一一端也带有有同样斜度度的圆台面面以保持与与电机定子子圆台面的的良好接触触。这时，电电机定子与与转子的接接触面就不不是单纯的的柱面或圆圆台斜面，而而是两者的的组合形式式。由于在在这种结构构中，电机机定子和转转子的接触触不沿定子子的圆环端端面，而沿沿定子圆环环的内圆周周侧面，另另外，电机机定子与转转子之间的的预紧力沿沿定

6、子圆环环的径向施施加，避免免了由电机机预紧机构构所带来的的电机厚度度的增加，所所以可以显显著减小电电机厚度。3 两相相电压激励励时电机的的工作机理理 以环环型定子的的轴线为zz轴，在定定子下环面面建立柱坐坐标系。分分别给压电电陶瓷片施施加正弦和和余弦两相相电压，则则圆环型电电机定子任任一质点的的运动轨迹迹表达式(3)为式式(1)和和式(2)的合成4。式中 Jm为第m阶贝塞尔尔函数；mm为波数；w为角频率率；r为质点的的极径坐标标。 此时在圆圆环型电机机定子上激激发出一列列面外行波波。但这列列行波与矩矩形板上的的行波不同同。假设同同样一波数数为m，角频率率为w的行波沿沿矩形板长长度方向传传播，则

7、直直角坐标系系中矩形板板上质点位位移可表为为下式99式中 x为矩形板板质点在行行波传播方方向即板长长方向上的的坐标。 比较式式(3)和和式(4)可知，在在任一时刻刻，环形定定子质点的的振幅除与与行波传播播方向即圆圆周方向上上的坐标jj有关外，还还与质点所所处的径向向坐标r有关。并并且r=0处质质点的振幅幅为零，相相同j坐标质点点的振幅随随极径坐标标r的增大大而增大。而而矩形板质质点的振幅幅则只与行行波传播方方向即板长长方向上的的坐标x有关。做做出矩形板板和环形定定子波峰处处的断面图图（图3），以以断面左上上角A点为例，可可知在所做做断面上，环环形定子质质点的位移移与矩形板板质点位移移相比，增增

8、加了一个个径向分量量Sr。径向分分量Sr的存在使使得电机定定子质点的的椭圆运动动轨迹随之之发生倾斜斜。 在在图3中可可以看出，矩矩形板质点点椭圆运动动轨迹的两两对称轴分分别为质点点的轴向位位移Szb和切向向位移St，而环形形定子质点点椭圆运动动轨迹的两两对称轴则则分别为质质点的轴向向位移S和切向位位移St。当所增增加的径向向分量Sr指向环形形定子轴线线时，则定定子质点的的椭圆运动动轨迹所在在平面倾向向环形定子子轴线。这这种倾斜使使得除定子子圆环端面面之外，定定子圆环内内圆柱侧面面的上端和和下端各有有一窄的圆圆柱侧面，其其上质点的的椭圆运动动可以推动动转子转动动。为了使使得电机具具有较大的的输出

9、功率率，在利用用上述的窄窄圆柱侧面面的同时，还还应利用定定子圆环端端面质点的的椭圆运动动。本文电电机利用定定子内侧的的一个圆台台面及圆柱柱面驱动电电机转子，以以实现上述述目标。又又因为电机机定子和转转子沿径向向接触，从从而可显著著减小电机机厚度。44 电机机实验结果果 为进一一步验证电电机定子所所用压电陶陶瓷片的激激振频率，检检验电机定定子的两相相电压激振振的效果是是否相同，对对电机定子子进行了扫扫频实验，所所用实验仪仪器为HPP35622。图4为为1号压电电陶瓷片粘粘结钢片后后，不加转转子A相通通电时的扫扫频结果，图图5为1号号压电陶瓷瓷片粘结钢钢片后，不不加转子BB相通电时时的扫频结结果。

10、 由由上图的扫扫频结果可可以看出，在在20550kHzz的范围内内，无论是是A相通电电时的扫频频结果还是是B相通电电时的扫频频结果，电电机定子都都只在299.45kkHz处出出现了一个个共振峰，且且两相的激激振效果十十分接近，证证明在样机机定子上可可以用两相相交流信号号激发出一一列行波。样样机研制成成功后，对对样机进行行了两相驱驱动时的实实验。图66和图7分分别为两相相驱动单片片压电陶瓷瓷片时得到到的电机空空载状态下下的电机转转速与电压压关系图和和电机转速速与频率关关系图，图图6和图77中各散点点为实验所所得数据，曲曲线为数据据拟合的结结果。 由由图7可知知，电机在在29.2229.3kHzz

11、的范围内内速度达到到最大值，与与图4和图图5中扫频频实验所得得谐振频率率数值299.45kkHz相符符，证明本本样机的设设计是可行行的。随后后进行的电电机拖动实实验表明，电电机具有较较大的转矩矩，在承受受带有轴向向力的载荷荷时转矩更更大。5 单相激激励时电机机工作机理理分析 采用单单相电压激激励，有利利于整个电电机系统结结构的简化化，此前单单相驱动电电机的显著著结构特点点是在圆环环定子端面面的特定位位置上设置置数个小齿齿，由这些些小齿驱动动转子88-9。其其工作机理理在于给压压电陶瓷片片施加单相相电压时，可可同时激发发出环型定定子的两个个弯曲模态态，因为这这两个模态态为单相电电压信号激激励产生

12、，所所以并不能能形成行波波，电机应应为驻波型型电机。在在这两个弯弯曲模态下下，圆环定定子端面波波峰位置小小齿的运动动轨迹为沿沿定子轴向向与沿定子子切向的合合成，可用用来推动转转子。在本本文电机中中，小齿则则均布于定定子的内圆圆周侧面。实实验中发现现，单相电电压激励时时电机仍能能实现稳定定运转。 图8所所示为本文文电机压电电陶瓷片的的极化分区区图，压电电陶瓷片均均分为122等分，按按两正两负负顺序循环环排列，分分别依次按按一正一负负顺序用导导线连接各各等分，可可构成电机机的两相输输入。采用用两相输入入则电机定定子上将激激发出一列列行波，单单相输入则则激发出一一列驻波，即即一弯曲模模态。在电电机定

13、子上上激发出弯弯曲模态时时，由式(1)可知知，定子质质点z方向上的的位移随所所在极径rr的不同而而不同，这这将使得定定子质点有有一径向位位移分量。将将电机定子子圆环展开开成直线形形式，观察察电机定子子上端面内内圆周上的的各质点，则则此圆周质质点的径向向位移呈波波浪状。当当电机定子子内侧的齿齿和槽的中中心线不在在波峰或波波谷位置，则则紧靠波峰峰的6个小小齿将推动动电机转子子。 如图9所所示，一个个振动周期期内这6个个小齿的变变形特征如如下：当tt=0时，66个小齿静静止于纵向向及横向的的平衡位置置。且均保保持与转子子的接触，此此时定子对对转子没有有推动作用用。 当0tT/4时，小小齿1，33，5

14、向上上运动，保保持与转子子的接触且且使齿与转转子之间的的弹力增大大，同时在在横向产生生向左的运运动。小齿齿2，4，66向下运动动，逐渐脱脱离与转子子的接触，同同时在横向向产生向右右的运动。故故小齿1，33，5推动动转子顺时时针转动，小小齿2，44，6由于于远离转子子而不能推推动转子。转转子可实现现顺时针转转动。 当t=T/4时，小小齿1，33，5在纵纵向位于波波峰位置，在在横向位于于左端最大大位移位置置。小齿22，4，66在纵向位位于波谷位位置，在横横向位于右右端最大位位移位置。转转子仍然顺顺时针转动动。 当T/4tT/2时，小小齿1，33，5向下下运动，逐逐渐与转子子脱离，同同时在横向向开始

15、由左左端最大位位移位置向向右运动。小小齿2，44，6向上上运动，但但仍保持与与转子的脱脱离状态，同同时在横向向开始由右右端最大位位移位置向向左运动。在在此期间，定定子不会推推动转子，转转子因为惯惯性仍可顺顺时针转动动。 当当t=T/2时，66个小齿在在纵向方向向位于平衡衡位置，在在横向方向向也位于平平衡位置，且且均与转子子相接触。 当T/2t3T/4时，小齿1，3，5向下运动，与转子相脱离，同时在横向产生向右的运动。小齿2，4，6向上运动且与转子相接触，同时在横向产生向左的运动。因此转子可实现顺时针转动。 当t=3T/4时，小齿1，3，5在纵向位于波谷位置，在横向位于右端最大位移位置。小齿2，

16、4，6在纵向位于波峰位置，在横向位于左端最大位移位置。 当3T/4tT时，小齿1，3，5向上运动，但仍与转子脱离，同时在横向开始由右端最大位移位置向左运动。小齿2，4，6向下运动，也与转子脱离，同时在横向开始由左端最大位移位置向右运动。在此期间，定子不会推动转子，转子因为惯性仍可顺时针转动。 当t=T时，6个小齿在纵向方向位于平衡位置，在横向方向也位于平衡位置，均与转子相接触。 由此可知，只给定子输入单相激励电压时，尽管不能在定子上激发出行波，但仍可实现对转子的推动。由图8所示，当用另一相电压信号激励定子时，由于两相电压激发出的波形相差1/4个波长，所以t=T/4时第1个波峰的位置对比图9中t

17、=t/4时，第1个波峰位置右移1/4个波长，按此可找到此时所有波峰和波谷的位置。在上述每一波峰和波谷的位置右侧分别设置一个小齿，则可以推动转子逆时针转动。由上述分析，如果在电机定子内侧的上述位置设置12个小齿，则可以实现单相驱动条件下电机的正反转。6 结论 为使环型行波超声电机既具有较大的输出功率，又具有较小的厚度，本文提出了一种薄型化的行波超声电机，并进行了初步的运转实验，实验证实了方案的可行性。由于电机采用了定子与转子沿径向接触的结构，因此在要求电机薄型化时，此种电机更具有应用价值。此外，由于环形电机定子质点的椭圆运动轨迹径向分量Sr的存在而发生倾斜，所以在通常的环形面外行波超声电机转子结构设计中，应考虑相应影响。 此类电机在具体的设计方面有以下几个必须注意的地方： 电机定子和转子接触界面的圆台面的倾斜角的最佳取值的确定； 电机定子和转子接触界面的圆台面高度的确定。 当电机定子内侧带有小齿时，只输入单相交变电压即可能实现电机的正常运转。据此，可以设计一种新的薄型驻波超声电机。