（电机与电器专业论文）大力矩高精度超声波电机的基础研究.pdf

精度和电机动态性能进行了测试，结果表明：1 ) 电机的重复定位精度可达到0 0 2 5 度；2 ) 电机的动态响应快，在3 4 m s 左右，且关断时间要快于起动时间。利用 磁滞测功机测量了电机的负载特性，测量结果表明电机的最大力矩可达1 0 n m 以 上，已接近实用。最后介绍了流沙模拟转子运动实验方法，该方法简单有效，能 快速估测谐振频率。 关键词：超声波电机，行波型，纵扭复合型，结构优化，力传递模型，测控系统 定位精度，动态响应特性，机械特性 a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i cm o t o ri san e w t y p em o t o r t h a th a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n tt w e n t y y e a r s i t i sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i cm o t o r si np r i n c i p l e u l t r a s o n i c v i b r a t i o ni se x c i t e db yt h ec o n v e r s e l yp i e z o e l e c t r i ce f f e c to f p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l sa n d m a g n i f i e db yt h ee l a s t i cb o d y w i t ht h ef r i c t i o nc o u p l i n g ，t h er o t a t i o no ft h er o t o ro r m o v i n go ft h es l i d e ri sg e n e r a t e d u l t r a s o n i cm o t o ri s c h a r a c t e r i z e db yl o ws p e e d ，h i g h t o r q u e ，d i r e c tl o a d d r i v i n ga n ds i m p l es t r u c t u r e i ti s n td i s t u r b e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l d u l t r a s o n i cm o t o rc a nc a r r yo u ts e l f - h o l d i n gw i t h o u te l e c t r i cp o w e r a l lo ft h e s e c h a r a c t e r sm a k eu l t r a s o n i cm o t o r p r o m i s i n g i ns o m e s p e c i a la p p l i c a t i o na r e a s u l t r a s o n i cm o t o rh a sv a r i o u sf o r m s a m o n gt h eu l t r a s o n i cm o t o r s ，t h e l o n g i t u d i n a l t o r s i o n a lc o m p o s i t e t y p eu l t r a s o n i cm o t o r c a no u t p u tt h et o r q u et e nt i m e sa st h et r a v e l i n g w a v e t y p eu l t r a s o n i cm o t o rw i t ht h es a m ed i a m e t e r i ta l s oh a sb e t t e rc o n t r o l l a b i l i t y s o t h e s t u d y o fl o n g i t u d i n a l t o r s i o n a l c o m p o s i t et y p e u l t r a s o n i cm o t o rc a n e x p e n dt h e a p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i cm o t o r s e v e r a ly e a r sa g o ，t h er e s e a r c ho fu l t r a s o n i cm o t o rw i t h t o r q u em o r et h a n1 n ma n dh i g hp o s i t i o n i n ga c c u r a c yw a sm a i n l yi nj a p a n ，a n do u r c o u n t r yw a s n te n g a g e di nt h i sa r e a b u tr e c e n t l y ，m a n yr e s e a r c ha g e n c i e si no u rc o u n t r y b e g i nt op a yg r e a ta t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ho ft h el o n g i t u d i n a l t o r s i o n a lc o m p o s i t et y p e u l t r a s o n i cm o t o r ，s u c ha sz h e j i a n gu n i v e r s i t y ，n a n j i n gu n i v e r s i t yo fa e r oa n da s t r o ， t s i n g h u au n i v e r s i t y i nt h i st h e s i s ，w ea n a l y z et h ef r i c t i o nd r i v i n gm o d e l ，v i b r a t i o n m o d e ，t h ec h o o s eo ft h ef r i c t i o n a lm a t e r i a l s ，t h es t r u c t u r a ld e s i g na n do p t i m i z a t i o n ，t h e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo nt h eu l t r a s o n i cm o t o r a n ds oo n o nt h eb a s i so ft h e r e s e a r c ha b o v e ，t w os a m p l em o t o ra r em a n u f a c t u r e d b o t ho ft h e mc a no u t p u tt h e t o r q u e m o r et h a n10 n m ，a n dt h e p o s i t i o n i n ga c c u r a c y c a nr e a c h0 0 2 5 d e g r e e f r o mt h e d e s c r i p t i o na b o v e ，w ec a nd r e wt h ec o n c l u s i o nt h a tt h eb a s i so ft h e o r ya n de x p e r i m e n t r e s e a r c ha b o u tt h e l o n g i t u d i n a l t o r s i o n a lc o m p o s i t et y p eu l t r a s o n i cm o t o rw i t hl a r g e t o r q u ea n dh i g hp r e c i s i o nh a sb e e nf o u n d e d t h er e s e a r c hw o r ka n dc r e a t i v ea c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： 1 d e d u c et h er e s o n a n c e f r e q u e n c ye q u a t i o n so fl o n g i t u d i n a la n dt o r s i o n a lv i b r a t i o n so f u l t r a s o n i cm o t o ru s i n gt h em a s o ne q u i v a l e n tc i r c u i t ，w h i c hg i v e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e np h y s i c a ld i m e n s i o na n dt h er e s o n a n c e f r e q u e n c y a f t e rt h a t ，t h ed e s i g n t h e o r yo fl o n g i t u d i n a la n dt o r s i o n a lv i b r a t o r sh a sb e e nf o u n d e d 2 b yu s i n gt h em e t h o do fe q u i v a l e n tc i r c u i ta n df e m ，t h el o n g i t u d i n a la n dt o r s i o n a l v i b r a t o r so ft h eu l t r a s o n i cm o t o ra r e d e s i g n e d ，a n db e t t e rp r e c i s i o n i so b t a i n e d c o m b i n e dw i t ht h ee x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h ek e yf a c t o r sw h i c hh a v em u c hi n f l u e n c e o nt h e o u t p u t t o r q u e a r e d e e p l ya n a l y z e df o r t h ef i r s t t i m e ，a n ds o m eu s e f u l i i i 3 4 5 c o n c l u s i o n sa r ed r a w n ，s u c ha st h ed o u b l ee n do ft h ep i e z o e l e c t r i cv i b r a t o rs h o u l db e f o r c e d ，t h e l o n g i t u d i n a l v i b r a t o rs h o u l dl o c a t e 1 e a t h en o d a l p l a n e o f t h e l o n g i t u d i n a lv i b r a t i o n a l s ot h ef r i c t i o n a lm a t e r i a lo ft h eu l t r a s o n i cm o t o ri sd e e p l y p r o b e di nt h ep a p e r ，a n dt h ec o n c l u s i o nt h a tt h ev i s c i da n dc o a t i n gt y p ef r i c t i o n a l m a t e r i a ls u i t e df o rl o n g i t u d i n a l t o r s i o n a lc o m p o s i t et y p eu l t r a s o n i cm o t o ri sd r a w n f i n a l l y ，t h el o n g i t u d i n a l - t o r s i o n a lc o m p o s i t et y p e u l t r a s o n i cm o t o ri s d e s i g n e d h o l l o wi nt h em i d d l e ，a n dt h eg r e a t e r o u t p u tt o r q u ei sa t t a i n e d t h ef o r c ep a s s i n gm o d e lo f l o n g i t u d i n a l t o r s i o n a lc o m p o s i t et y p eu l t r a s o n i cm o t o ri s p u tf o r w a r d b yu s i n gt h em o m e n t u ma n de n e r g yc o n s e r v a t i o nl a wa n dt h eo t h e r m e c h a n i c s p r i n c i p l e ，t h ee q u a t i o na b o u tc o n t a c ta n g l ea n do u t p u tt o r q u ea r ef o u n d e d b yu s i n gt h eo ft h ee q u a t i o na b o v e ，t h ei n t e r - r e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t a c ta n g l e ， o u t p u tt o r q u ew i t hp r e s t r e s s i n g ，l o n g i t u d i n a la n dt o r s i o n a lv i b r a t i o na m p l i t u d e ，t h e f r i c t i o n a lm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i ca r ed i s p l a y e d i tq u i c k e nu pt h ef o u n d a t i o no ft h e t h e o r yo ft h el o n g i t u d i n a l t o r s i o n a lc o m p o s i t et y p eu l t r a s o n i cm o t o r t h e d r i v i n gc i r c u i t sw i t hn o to n l yt h es h i f tb e t w e e n z e r od e g r e ea n d18 0 d e g r e e o nh e t w o i n p u ts i g n a l sb u ta l s ol a r g ep o w e r ，a n d t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mw i t h h i g hd i s t i n g u i s h a b i l i t yo np o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，h a v eb e e nd e s i g n e d t h ec o n t r o ls t r a t e g yt or e a l i z et h eh i g hp r e c i s i o n p o s i t i o n i n gn a m e dp u l s ep o s i t i o n i n g m e t h o di sp u tf o r w a r d i tf u l l ye m b o d i e st h ef a s td y n a m i cr e s p o n s i v ec h a r a c t e r i s t i c s a n ds t e p p i n gd r i v i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o t o r t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c ya n dt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r et e s t e db yt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mm a d eb y o u r s e l v e s f r o mt h em e a s u r i n gr e s u l t ，t w op h e n o m e n ac a nb eo b s e r v e d o n ei st h e p o s i t i o n i n ga c c u r a c yc a nr e a c h o 0 2 5d e g r e e a n dt h eo t h e ri st h ed y n a m i c r e s p o n s i v e t i m ei sa b o u tt h r e eo rf o u rs e c o n d s t h et i m eo ft u r n 一0 f fo fu l t r a s o n i cm o t o ri s q u i c k e rt h a n t h et i m eo fs t a r tu p t h el o a dc h a r a c t e r i s t i c si sm e a s u r e dw i t ht h e m a g n e t i ch y s t e r e s i sd y n a m o m e t e r t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em a x i m a lt o r q u eo ft h e m o t o ri so v e r10 n ma n dt h em o t o rc a nb ep u ti n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o n f i n a l l y ，t h e e x p e r i m e n t a lm e t h o du s i n gt h eq u i c k s a n dt os i m u l a t et h er o t o rk i n e t i cc o n t r a i l i s i n t r o d u c e d t h em e t h o di ss i m p l eb u te f f e c t i v e i tc a nq u i c k l ye s t i m a t e st h er e s o n a n t f r e q u e n c yo f t h em o t o r k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c m o t o r ，t r a v e l i n gw a v et y p e ，l o n g i t u d i n a l t o r s i o n a lc o m p o s i t e t y p e ，s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n ，f o r c ep a s s i n gm o d e l ，m e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e m ， p o s i t i o n i n ga c c u r a c y ，d y n a r n i cr e s p o n s i v ec h a r a c t e r i s t i c s ，m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c 第一章绪论 近十年超声波电机发展很快，迄今为止已有不下几十种超声波电机推出。为此本章 简述了国内外超声波电机的发展历史，并提出了几种分类方法，从这几种分类方法的基 本原理出发可推断超声波电机的性能和特点。同时，以典型的行波型和驻波型发展过程 为例，分析了超声波电机研究现状及其发展趋势，并引出了超声波电机的特点、应用前 景。最后，论述了纵扭复合型超声波电机的研究进展，并在此基础上提出了本论文选题 意义和研究内容。 1 1 超声波电机的发展简史、基本原理和分类 1 1 1 超声波电机发展简史 分析超声波电机的整个发展历史，可分四个阶段： 萌芽阶段。1 9 6 1 年，b u l o v aw a t c hl t d 首次利用弹性力对弹性体进行激振，利用被 激振的弹性体的振动来带动钟表齿轮。这种表走时准确，每月只有一分钟的误差，打破 _ ，当时记录，引起了轰动，同时也揭开了超声波电机研究的序幕。 原理性样机阶段。1 9 7 2 1 9 7 3 年，由s i e m e n s 和m a t s u s h i t a 公司研制出具有实用前 景的超声波电机，由于压电材料工作在几十k h z 的驱动频率下，振幅太小，材料不过关， 不能得到大力矩，无法推广。1 9 7 3 年，璐m 公司的h vb a r t h 提出一种驻波型超声波电 机，其力矩较大，转速较高，但寿命较低。与此同时，前苏联的v v l a v r i n e n k o 等人也 研制了具有同样原理的几种超声波电机。1 9 7 8 年，前苏联的v a s i l i e v 成功地构造了一种 能够驱动较大负载的超声波电机，其特点是采用了换能器原理，降低了共振频率，扩大 r 共振振幅，但因种种原因都没有实用【l 。j 。 实用性样机阶段。8 0 年代以后，超声波电机研究中心由前苏联转移到了日本。1 9 8 0 年指田年生在v a s i l i e v 的研究基础上，提出了一种楔形驻波型超声波电机。其工作频率 为2 7 8 k h z ，输入功率9 0 w ，输出转矩为0 2 5n m ，机械输出功率为5 0 w ，这是第一个 满足了实际使用要求的电机，但该电机存在两个缺点：一是振动片与转子接触处磨损严 重，二是转子转速较难控制，仅能单方向旋转。后为解决此问题，指田年生在】9 8 2 年 又提出了行波型超声波电机。 实用阶段。指田年生1 9 8 2 研制的行波型超声波电机，定子由两组压电片和带齿弹 性体组成，转子以一定压力与定子接触。两组压电片在定子弹性体环中激励并叠加成行 波，定子弹性体表面质点做椭圆运动，移动体转予以一定压力与定子弹性体波峰接触， 通过摩擦力驱动做旋转运动。行波型超声波电机实现了由定点定期推动转予变换成多点 第一辛绪论 连续不断地推动转子，大大地降低了接触面上的摩擦和磨损，这为超声波电机走向实用 开辟了道路，这种电机的商业应用是在1 9 8 7 年( 正式销售) ，同时，指田年生也创建了 新生工业公司，这是超声波电机从实验走向商业应用的一个标志。同年，日本佳能公司 研制出了第一台用于相机自动变焦的环状超声波电机，在照相机业界为之一振。 随着行波型超声波电机成功的商业化应用，引起了各国的学术界和产业界对超声波 电机进一步的认识和重视，新原理新结构的超声波电机不断出现，极大地推动了超声波 电机的研究和发展。 1 1 2 超声波电机的基本原理和分类 超声波电机( u l t r a s o n i c m o t o r ) 是由高频驱动电源( 其工作频率通常大于2 0 k h z ) 和电机本体两部分组成，它是一种涉及到压电材料、力学、机械、摩擦、电力电子和控 制理论等多学科的典型的机电一体化产品。其本体由定、转子组成，定子由通过极化的 j j 电陶瓷和金属弹性体组成，转予一般由金属材料组成，并在其接触表面粘接摩擦材料， 以提高出力，增加耐磨性。通过压电材料的逆压电效应使交流电信号转变成定子表面产 ，j 超声频率的机械振动，转子与定子的相互压紧，借助于定、转子之间的连续或断续的 接触及带来的摩擦力，实现将定子表面质点交变的机械振动转变为转子单方向的直线运 动或旋转运动。超声波电机的高频驱动电源则要求其能保证超声波电机工作在机械系统 谐振状态，以实现最大的电气一机械能的转换效率，并且要求当温度变化时，随着机械 系统的谐振参数的变化，电气系统的驱动频率也要作相应的跟踪，保证超声波电机工作 在最佳工作状态。 超声波电机作为一种新原理电机，在二十年的进程中得到了迅猛的发展，出现了几 协十不同结构形式的超声波电机。对于这些新出现的电机结构，分类标准比较模糊，命 名也十分混乱。 首先，从行波型超声波电机的运动形式来看，又可分为直线型超声波电机和回转型 超声波电机。 其次，从超声波电机的基本工作机理来看，其本质是激发与转子或滑块相接触的媒 质表面质点的椭圆振动轨迹，通过摩擦驱动转子或滑块作旋转或直线运动，因此，可以 根据激励媒质质点产生椭圆振动轨迹的驱动方式不同可对超声波电机进行分类。表面质 点振动从宏观上表现分为波的形式，激发超声波电机传动媒质质点椭圆振动轨迹的仅有 两类基本的波行波和驻波，因此根据驱动模式可将所有的超声波电机分为两大类： 行波型和驻波型。 行波型超声波电机的特点是在弹性体内产生单向的行波，利用行波表面质点的椭圆 振动轨迹传递能量。由于波传播具有反射性和双向性，采用单个压电激励源不可能在细 长弹性体环和棒内产生单方向的行波，只能产生一驻波。要在有限长弹性体内产生单方 向行波，必须采用防止波反射的措施或采用两个压电激励源，通过激励的两驻波合成行 波，若采用两个激励源，则两激励源时间、空间相差万，2 的奇数倍。驱动媒质与移动体 2 浙江大学博士学位论文大力矩高精度超声波电机的基础研究 ( 转子或滑块) 的接触面按空间分布，两者仅在行波波峰处与移动体接触或驱动力较大。 驻波型超声波电机是利用在弹性体内激发的驻波，驱动移动体移动。单一的驻波其 表面质点作同相振动，不能够传递能量。驻波型超声波电机通过激发并合成相互垂直的 两个驻波，使得弹性体表面质点作椭圆振动，直接或间接驱动移动体运动而输出能量。 i 自于驻波型超声波电机弹性体表面质点作等幅同相振动，驱动媒质与移动体的接触或驱 动力按时间分布，这是驻波型超声波电机的一个显著特点。 驻波型超声波电机根据激励两个驻波振动的方式不同，又可分为纵扭振动复合型超 声波电机和模态转换型超声波电机。纵扭复合型超声波电机是采用两个独立的压电振子 分别激发互相垂直的两个驻波振动，合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹；模态转换型 超声波电机仅有一个压电振子激发某一方向的振动，再通过一机械转换振子同时诱发一 千、与其垂直的振动，二者合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹，驱动移动体运动。机械 转换振子可以作成不同的形状，典型的有楔形振子【4 4 】、单梁耦合振子、三梁纵弯扭耦 合振子、斜槽转换振子等，振子形状如图1 - 1 所示。 ( a ) 单粱耦合振子( b ) 三梁纵弯扭耦合振子( c ) 斜槽转换振子 图1 - 1常见的模态转换型超声波电机耦合振子 从超声波电机的定转子表面力传递接触方式来看，一般可分为接触和非接触。接触 叉可具体分为：连续的局部面接触方式( 如行波型超声波电机) 、连续的点线接触( 柱 状弯曲振动型超声波电机) 、断续的点线接触( 如楔形驻波型超声波电机) 和断续的整 个面接触( 如纵扭复合型超声波电机) ；非接触型实际是以空气和液体等为中问介质接 触，也称声悬浮超声波电机。 接触型超声波电机的弹性体通过摩擦材料与移动体直接接触，依靠摩擦力耦合驱动 移动体运动，接触型超声波电机存在着磨损和寿命问题。但到目前为止，c a n o n 公司生 产的行波型超声波电机连续运转时间已达到3 0 0 0 h 。非接触型超声波电机的弹性体与移 动体不直接接触，它是通过空气或液体( 如水、盐水、硅油等) 对转子施加驱动力，其 最高转速达到1 0 0 0 0 ( r m i n ) 以上，且寿命较长。 根据上述分析，超声波电机的分类列表如1 1 所示。 蚓 第一章绪论 表1 - 1 超声波电机的分类情况 按驱动方式分按定转子力传递接触方式分 骚运明万式分 单一模态型连续的局部面接触 行波型复合模态型 接触 连续的点( 线) 接触 直线运动 模态转换型 断续的整个面接触 声波电机 单一模态型断续的点( 线) 接触 驻波型复合模态型 非接触 空气旋转运动 模态转换型 液体 最后从超声波电机应用的压电材料的机电转换模式来看，无非就是如- 、如和d 1 5 三种，后两种常用于夹心式结构，机电换能效率较高，且不易振裂，而采用d 3 ，模式的 压电陶瓷材料易振碎，下一步方向在提高压电材料的动态抗张强度外，还可从结构上下 功夫，如采用夹心式提高出力和韧性。电机的接触方式直接影响电机的性能，如出力、 寿命等，分析电机的力传递接触方式有助于剖析电机的性能。行波型超声电机的寿命最 长和纵扭复合型超声电机的力矩最大也就是这个道理。以6 种产业化和应用前景化好又 具有科学意义的典型超声波电机为例，采用前述分类方法进行比较，可预估这骥电机的 性能和特点，如表1 2 所示。表中前三种是产业化重点研究对象，后三种是产业前景良 好和科学意义较大的研究对象。 表1 - 2 典型6 种超声波电机性能分析 n 1 234 56 。 行波型柱状弯曲振动纵扭复合型行波型超超声步进声悬浮 超声电机型超声电机超声电机声微电机电机超声电机 行波型和 驱动方式行波型行波型驻波型行波型驻波型 驻波型 机崩涨枋式西1d 3 3 ( 夹心式)d 1 5 和幽 和辩 较高高 ( 夹心式) 高 西l 和d 3 3幽1d 3 1 和西3 连续的 连续的 断续的整 连续的点线 非接触，空气 传动方式局部面 点线接触 个面接触 连续接触 和液体媒质 接触( 力矩大)( 力矩较小) 实用性 实用化 实用性强 前景好前景好 前景好 和高精实用化微型化和高 和特色大力矩化微型化可开环控制 度速化 1 2 超声波电机的研究概况 1 2 1 行波型超声波电机 单振动模态的超声波电机。指田年生在1 9 8 2 年发明了两种直线超声波电机，其中 一种直线超声波电机如图1 _ 4 所示。这种电动机直线轨道的两端各安装一个完全相同 浙江大学博士学位论文大力矩高精度超声波电机的基础研究 的l a n g e v i n 振子，分别用于激励和吸收振动，防止弹性波反射，从而在轨道中产生单一 的行波，其驱动机理与行波旋转型超声波电机相同。若要改变滑块移动方向，交换激励 振子和吸收振子的功能即可。 这种电动机关键在于如何获得纯正的行波，吸振器在把振动能量变换成电能时，一 般无法完全吸收，所以吸振的受波侧或多或少的存在残余驻波及弹性反射波，影响了电 动机的效率。同时吸振的能量消耗也影响电动机的效率，故其性能要劣于环形直线超声 波电机。 转 碟 图1 4 超声波直线电机 图1 - 5 行渡型超声波电机的结构示意图 复合振动模态。现在应用最广泛的超声波电机是指田年生发明的环型超声波电机， 随着电机进一步发展，其结构原理也变的更为成熟【9 0 8 1 。 行波型超声波电机的结构如图1 5 所示，环形行波型超声波电机结构由电机本体和 驱动电源两部分组成，带齿环形弹性体和环形p z t 片由环氧树脂粘接构成定子，定转子 间的预压力由碟簧提供，转子与定子弹性体接触面涂覆一层摩擦材料，用于减小磨损和 提高摩擦系数。弹性体环内部边缘为夹持约束条件( 外缘夹持亦可以，这时电机可做成 中空结构) ，定子与转子接触面上开有齿槽，使得在不提高弯曲刚度和固有频率的条件 下，放大了表面质点椭圆运动的振幅。p z t 片a 、b 两相由一片压电陶瓷环实现，分为 a 、b 两相区，在空间对称排列，采用厚度方向极化，其极化要与选用的定子模态一致， 极化时，每隔1 ，2 波长反向极化，p z t 的极化与连接情况如图1 - 6 所示。图中利用了圆 第一章绪论 环轴向的9 阶弯曲模态，“+ 一”代表压电片的极化方向相反，两组压电片空间相差 4 ，相当于n 2 ，分别通以同频、等幅、相位相差n ，2 的超声频域的交流信号，这样两 相区的两组压电体即在时间与空间上获得9 0 。相位差的激振。 带齿定子弹性环 3 4 压电片极化分布图 圈1 - 6 定子带齿弹性环和压电片结构 图1 - 7 行波型超声波电机运行机理 行波型超声波电机的驱动接触模型，行波型超声波电机的弹性体表面仅在行波波峰 处与转子或滑块接触，如图1 7 所示，由于处于波峰处的质点振动方向一致，其方向与 波前进的方向相反，这样，与做行波振动的弹性体接触的物体将在摩擦力的作用下，向 着与行波前进方向相反的运动，这就是行波型超声波电机的摩擦驱动机理，其摩擦力中 既有滑动摩擦，也有滚动摩擦【19 。2 5 1 ，因而电机的效率较低，但这种电机的寿命较长。 1 9 9 6 年，美国麻省理工学院主动材料和结构实验室( a c t i v em a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s l a b ) 的h a g o o d ，n 等人为空间应用而开发了具有双面齿结构的行波型超声波电机，该 电机具有完全对称的结构，粘贴压电陶瓷、双面带齿的弹性体为转子，采用外部机架固 定，结构如图1 - 8 所示i 2 6 。2 9 】，这种结构由于要给转动部位的压电陶瓷通电，因此比传统 的单面齿耦合的行波型超声波电机复杂。双转子行波型超声波电机的机械特性和工作特 性如图1 - 9 所示，其力矩要比同直径的行波型超声波电机高2 倍以上，且运转十分稳定， 已用于美国航空航天局( n a s a ) 的火星着陆灵巧机机械臂j p lm a r sa r mi i ，比同结构 但采用电刷直流电机的m a r sa r m1 减轻重量4 0 。考虑接触面的受压力不均，东南 大学提出了一种均压型的电机，对力矩提高有明显改善；密苏里大学对小直径的电机为 6 堂耋奎兰量圭兰竺兰圣奎至兰耋翌兰圣三兰耋竺至茎竺兰耋 降低曲率效应的影响，在齿外侧有轮缘，如图l l o 所示，这样其接触区域从边缘向齿 部中间移动，也能有效提高出力和寿命。 图1 8 双面齿行波型超声渡电机 t o r q u ei n - c m l t o r q u e 【n c m l 图1 - 9 双转子行波型超声波电机的机械特性和工作特性图 图1 1 0 密苏里大学研制的超声波电机 非接触型超声波电机是由日本山形大学工学部广濑精二助教授首先提出，采用定转 子间空气作为媒质，制作了一直径2 0 m m 圆板型定子的超声波电机，驱动频率3 0 k h z ， 无负载时转速可达3 0 0 0 ( r r n i n ) ，后当时在东京工业大学攻读博士学位的胡俊辉研制成了 高速的声悬浮超声波电机，转速达到了1 0 0 0 0 ( r r a i n ) 以上。在此之后，他又研制出直径 勾l m m 的圆板型超声波电机。先后有山形大学铃木胜义教授和东京工业大学t o h g o y a m a z a k i 等研制出不同形式以空气为媒质的圆筒型非接触型超声波电机【3 2 1 ，其结构如 第一章绪论 图1 - 1 1 所示。其中( 口) 圆板型超声波电机；( 扫) 采用l a n g e v i n 振子型超声波电机；( c ) 为圆筒型超声波电机。 上述非接触型超声波电机定转子问皆以空气为媒质。日本东京工业大学上羽研究室 对以水、盐水、硅油等为媒质的非接触型超声波电机进行了理论和试验研究 3 3 - 3 4 】，其电 机结构如图1 一1 2 所示，但尚未见到电机性能参数的报道。 转子定子压电陶瓷 图1 。1 1采用空气媒质的非接触型超声波电机 图l 一1 2 以液体为媒质的超声波电机 1 2 2 驻波型超声波电机 一、 v 。 o ，由于扭转振动速度低于转子转速，定转子间产生滑动摩擦， 扭转振子输出制动转矩； 2 、在b 。c 期间，v t v r o ，定转子间存在滑动摩擦，此时扭转振动输出驱动转矩； 3 ) 在c d 期间，与a b 情况相同，产生制动转矩； 4 ) 其余时间段内，由于定转子脱离，定子对转子不产生作用。 以上分析表明，一个振动周期内只有b c 期间电机输出驱动力矩，电机一个振动周 期内的输出力矩为各个时间段输出力矩的代数和。纵扭复合型超声波电机在一个周期内 不断地重复着上述过程，将扭转振子激发的扭转振动通过定转子间的摩擦力断续地传递 第二章纵扭复合型超声波电机的等效电路模型 到转子，由于振动频率很高，因此转子作平稳、连续的旋转运动。 2 3 纵、扭压电片的m a s o n 等效电路模型 2 3 1 纵振动压电片的等效电路 一、单片纵振动压电片的等效电路 亟 2 t 图2 - 6电场平行于波传播方向的厚度振动环形压电片 单片纵振动压电片的结构如图2 - 6 所示，环形压电晶片的厚度为t ，截面积为a ，阴 影线部分涂覆电极，施加电场方向与极化方向相同，沿坐标轴3 方向。采用一维近似( 轴 向) ，忽略晶片径向振动，即认为晶片是横向截止的【l 。4 】。则晶片的边界条件近似为 应变分量：s 0 ，s = s z = 只= s = & = 0 电位移分量：d 3 0 ，d l = d 2 = 0 纵振动压电片的h 型压电方程为 五= c 墨岛一岛，d 3 ( 2 9 ) 岛= 一呜，s + 聪d 3 f 2 一l o ) 式中五为厚度方向的应力，马为厚度方向的电场强度，为恒电位移下的厚度方向的 刚度系数，厚度方向的压电劲度常数，熙为厚度方向的介电隔离率。 运动方程简化为5 1 a 鸳：残 矿一q 碚 进一步简化运算可得晶片两端的振动方程为睁7 1 巧= 盛一南和+ 肌a 培等鲁州 3 0 ( 2 一1 1 ) f 2 1 2 ) 丝兰奎耋篁圭兰篓塞耋查窒塑童竺堡垒兰鎏皇垫竺叁丝兰耋 五= 盛一彘埏埔+ 眺a t g 萼邑州 ( 2 - 1 3 ) 式中，k t 为纵振动波波数，v ，为纵波声速，董、善：分别为x = o 和x = t 端面的纵向振 动速度，f 1 、r 分别为x = - o 和x = - t 端面的外力，v 为压电晶片两端的电压，c o 为压电晶 片的静态电容，q 为厚度振动模式的机电转换系数。k 。、c o 、v 、_ 和v ：的表达式为 铲c u o ，c o = 面a ，y = 岛出，吩= 等，q = 悟 ， z z 图2 7 环形压电晶片厚度振动模式的机电等效图 由式( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 可得厚度振动压电片的机电等效图如图2 7 所示，图中z 1 和z 2 为 z 1 = j p v ，a t g 等，z 2 = 面p v t a 立j 。o c o 二、多片纵振动压电片级联时的等效电路 实际应用中，为获得较强的纵振动位移，复合型超声波电机中组成纵振子的压电陶 瓷晶片通常由多个晶片组成叠堆。这里设纵振动压电陶瓷晶片由p 个采用厚度振动模式 的环形晶片构成，晶片驱动电路采用并联形式，下面推导p 片纵振动压电片级联时的等 效电路。 1 ) 级联理论 z lz 图2 - 8单个t 型四端网络 3 1 第二章纵扭复合型超声波电机的等效电路模型 对于图2 - 8 所示t 型四端网络，其基本方程可表示为 阱喇 田 _ f 2 z z 。1z 1 ( 2 + 争 z ， z ，。 上 l + 互 z 2z 2 图2 9p 个相同的四端网络级联 将p 个上图所示四端网络级联，如图2 - 9 所示，其矩阵可表示为 阡时r 网 令y = a r c h ( 1 + 争) 为网络传输常数，z o = z z 2 ( 2 + 争) 】_ 为特性阻抗，则 77 1 卧嚣y 硼 可得到8 1 ，i c h ( p y ) z o s h ( p 7 - t r - - 、r # ) l 盼】p2 i 吾s h ( 刚c h ( p l l z o ”“j 由式( 2 1 5 ) 可知，p 个相同四端t 型网络级联与单个t 型网络相比， f 2 1 4 ) r 2 1 5 ) 特性阻抗z 0 不 图2 一1 0p 个t 型四端网络的等效网络 变，传输常数为单个t 型网络的p 倍。通过对比求解可得p 个相同四端t 型网络级联的 等效网络图为图2 - 1 0 ，图中z 1 ，和z 2 ，分别为 3 2 浙江大学博士学位论文 大力矩高精度超声波电机的基础研究 z i ，= z o m 哼1p ”，z 2 ，= z 0 s h ( p ” 2 ) p 层胜电片的机电寺双电跆图 下面利用单片厚度振动模式压电晶片等效电路和网络级联理论，推导尸层压电片 的机电等效电路。对于图2 - 7 ，当k t t 丌时，z ，和z ：可进一步简化为 z l = 肌a t g 等= j p v t a 了k i t ( 2 - 1 6 ) z 2 一p v t a 彘2p v t a j s i n k t tj k t t ( 1 _