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1旋转型行波超声电机帕萨迪纳,CA91109,加利福尼亚理工学院喷气推进实验室;科斯塔梅萨,CA92627,材料质量检测中心,威廉梅兰迪亚。摘要旋转型超声波电机逐渐发展为太空飞船的微型驱动器及其子系统。此技术应用于有着严格要求的商业产品中,为了更加有效地设计此类电机而采用分析工具。分析模型用于检测在旋转超声电机中激励产生的弯曲行波。这个有限元分析模型为环形,被用于预测环形定子的振动频率和模态响应。此模型给设计高效率的超声波电机提供依据,定子的设计包括齿槽、压电体、定子的几何外形等方面,定子是由他们有机地组合而成。理论计算值与实验结果的比较表明这将是一个值得世人所关注的课题。与此同时,超声波电机还被用于机械臂,他们是否能够在火星的环境下正常运行的研究还在进行中。关键词驱动器,弹性体,压电电机,超声波电机,定子与转子,模态分析。2绪论当前,美国国家航空和宇宙航行局一直致力于缩小未来太空飞船的体积和减少其质量的研究。为了与这变化想适应,超声波电机逐渐成为机械装置简化的一个重要的手段。传统的微型电磁式电机由于受制造工艺的限制,一般这类电机为了达到速度与扭矩相适应需要使用齿轮减速机构,采用这个将会增加设备的质量、体积和机构的复杂性,同时增加系统的部件也会降低系统的可靠度。现在所介绍的旋转压电电机将是微型设备中的未来潜在驱动装置,这种马达具有低速大转矩,堵转力矩高、结构简单、响应快等特点,可以将外形制成环形(应用于光学,配线通过中心的电子仪表组件)。目前,一个关于超声波电机在宇宙环境中工作情况的课题正在研究中,换句话说,它能够在低温和真空的环境下有效可靠地运行。超声波电机按工作模式划分,可以分为静态和动态两种;按运动方式可以分为旋转式和直线式两种;按执行机构的形状可以分为梁式、杆式和板式等等。尽管它们之间有区别,但是他们的工作原理都是一样,即利用压电效应产生的激励弹性体(通常与压电陶瓷结合)的细小变形通过精确静态机构或者动态谐振的方法扩大。一些超声波马达已经在一些要求结构紧凑和做间歇运动的领域进行产业化应用。这些应用包括照相机的镜头自动调焦、手表马达以及结构紧凑的打字机。传统电磁电机为了得2到和超声波电机一样转矩速度特性,需要添加齿轮减速机构,因此增加电机的尺寸、质量和传动装置的复杂性。超声波电机有高的自锁力,它能提供精确的零位移。此外,由于这些电机是依靠摩擦力矩驱动的,所以在无外力的作用下产生反驱动,因此让人关注的与其他电机相比更高的堵转扭矩。电机的组成部件的数量少代表了潜在故障点的数目会相应减少。超声波电机的优良特性被人们所看好,将其应用于有着体积小,间歇运动要求的机器人上。图1为超声波电机(环形行波超声波电机)的工作原理。行波形成于由环形弹性体构成的定子的表面上,并在转子的表面产生椭圆运动。定子表面质点的椭圆运动驱动转子和与之相联的轴旋转。在定子表面添加齿槽结构是用于增大振动幅度,以此提高电机的转速。超声波电机的运转依靠运动的定子和转子之间的接触面产生的摩擦。这也是设计如何延长接触面的使用寿命的关键问题。图1旋转型行波超声波电机工作原理示意图3工作原理超声波电机一般的工作原理是通过扩大和重复振子的细小应变来产生总的机械运动。振子引起与转子相接触的定子接触面上的质点产生一个轨迹运动,和在转子与定子之间的分界面产生的摩擦,以此扩大微小运动来产生定子的大运动。这一结构如图1所示。振子是压电陶瓷受到激励在定子内部产生行波,致使定子上的质点做椭圆运动。在置于定子之上的转子上施加预紧力和旋转的定子和转子之间产生摩擦力,依靠这些扩大接触面上的细微应变。此运动的转换过程与齿轮机构类似,产生与行波频率相比更低的旋转速度。定子的下层的厚度设为ST,在定子粘有一定厚度的一组压电体,这些压电体按照一定的顺序和位置与定子的后表面结合,压电陶瓷的厚度设为PT。总厚度为H,这是3压电陶瓷的厚度与定子的厚度之和(其中粘结层厚度忽略不计)。整体高度可以随着径向位置变化而变化。定子的外半径为B,内孔半径为A。为了产生行波,由两个相差四分之一的波长信号构成压电陶瓷的极化方向,这样的极化方式也能被用来消除定子的范围和最大挠曲。定子上的齿槽在径向位置上成环形分布。为了在定子内部产生行波,需要同时激励出两个相同的正交振型。在同一模式中,两个极化节粘于定子上,以此构成由压电驱动器,这就是模型。从几何学上分析这个模型,结果表明激励出两个状态分别为SINWT和COSWT信号,将会产生频率为/2WP的行波。同时,通过改变驱动信号的工作状态,行波的方向也会相应地发现变化。4理论模型超声波电机的运动方程源于汉密尔顿原理,这个分析模型被许多学者所推导过(比如HAGOOD、AMCFARLAND和KAGAWA等)。定子的通用运动方程归纳如下式中,M、C、K、P、G分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、机电耦合矩阵和电容矩阵,矢量{X}、{J}、{NF}、{TF}和{Q}分别是模型的振幅、电势正常外力向量、切向力矢量和电荷矢量。振幅矢量{X}和其他广义矢量能够通过能量平衡原理定义,如RAYLEIGHRITZ原理。但是,这个方法忽略了定子上的齿槽的作用。环形定子也会随着内支撑板径向位置的变化而变化,这可能会导致不合要求的结果出现。即使三维有限元分析方法(FEM)可以精确预测模型的固有频率和定子的瞬态响应特性,但这是一个复杂的计算过程。此外,决定设计模型往往需要通过三维有限元分析软件核实计算响应模型和共振频率。由于此方法的所提及的缺点,需要改进过去所描述的周期性有限元,这也是基于超声波马达的对称特性。环形有限元如图2所示,其中1212,,WWYY和都是自由度。横向移动量W穿过每个部分,其表现方程如下23012312,,COSCOS,MNWRTAARARARMWTRR当式中,MNW表示径向振动频率,指标M、N分别是沿着Q和R方向的模型。当假设横向切力和旋转惯性效应忽略不计,质量和刚度矩阵能按照标准变化理论推导。因此,解决特征值问题可以得到正常频率和模型的外形。2{}{}{0}MMNNKM用标准的公式表示,其中包括了定子齿槽的作用。其他广义坐标的制定细节也和4这些类似确定。这些将会在作者以后的出版物中提及。5对压电电机的分析对非线性、定子转子之间的动态联接模型分析时,主要讨论的内容包括预测电机的潜在稳定状态和在临界设计参数的情况下电机的运行瞬态性能,比如接触面上的法向力、齿高、定子的径向切面。有限元的运算法则被融入分析软件中,MATLAB的代码被用于确定定子模型的特征。模型反应出定子的形状、压电陶瓷的极化模式和定子齿的相关参数。一旦选定定子的每个细节,那么模型的响应也确定了。这也可以在电脑中进行实时监测,如图2所示,此时的模型中的参数已经给定,(M,N)(4,0)。利用电子点模式的干涉测量仪验证预测的模型响应特性,结果非常直观,如图3(左)。MATLAB成为观察超声波电机工作状态一种新的工具,能够在电脑上模拟仿真。该软件能够模拟旋转电机中弯曲行波在定子中工作状态(图4)。图2环形有限元分析模型图3模态响应和共振频率(左图)和实验检测(右图)采用有限元的分析模型,以此构建马达。表1为直径为171英寸钢结构定子所预测的振型和精确的共振频率。在此表中的结果显示理论值和实际值相对吻合,为了
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