超声波电机的工作原理.doc

超声波电动机的工作原理一、逆压电效应简介 压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称为正压电效应；反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。 超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的，图9 2所示为逆压电效应示意图，进一步说明了逆压电效应的作用。压电体的极化方向如图9-2中箭头所示当在压电体的上、下表面施加正向电压 即在压电体表面形成上正、下负的电场时，压电体在长度方向便会伸张；反之，若在压电体上、下表面施加反向电场则压电体在长度方向就会收缩。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态。成为压电振子。当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。 二、椭圆运动及其作用 超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。但是并不是任意超声振动都具有驱动作用，它必须具备一定的形态即振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。 图9-3所示质点的椭圆运动示意图，设定子(振子)在静止状态下与转子表面有一微小间隙当定子产生超声振动时，其上的接触摩擦点(质点)A做周期运动轨迹为一椭圆。当A点运动到椭圆的上半圆时，将与转子表面接触并通过摩擦作用拨动转子旋转；当A点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去则对转子具有连续的定向拨动作用。从而使转子连续不断地旋转。因此，超声波电动机定子的任务就是采用合理的结构，通过各种振动的组合来形成椭圆运动。 那么，怎样才能形成椭圆运动呢?设有两个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成，振动角频率为0，振幅分别为x和y，时间相位差为即有 从中消去时间t，则有 式(9-2)中,当=n(n=0,l，2)时，两个位移为同向运动，合成轨迹为一条直线；当n时，其轨迹为一椭圆，并且在=n2时为一规则椭圆。不同相位差时的椭圆形态如图9 -4所示。由此可见，相位差的取值就决定了椭圆运动的旋转方向当O时椭圆运动为顺时针方向，当O时，椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向，因此也就决定了超声波电动机的转子转向。 三、行波的形成及特点 上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，而应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转，也就是说这些质点需要进行行波眭质的运动。根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空问均相差2的两相驻波叠加后将形成一个合成行波。 如图9 5(a)所示，将极化方向相反的压电体依次粘结在弹性体上当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率0下，弹性体上将产生如图9-5(b)所示的驻波其数学表达式为 式中：为横向坐标；y为纵向坐标；为驻波波幅：为驻波波长。 设在弹性体上同时存在两相驻波A和B，它们的频率同为0波幅同为波长同为并且在时间和空间上均相差2，即其合成为 这是一个频率为0、波幅为、波长为的行波。 在环形行波型超声波电动机中，定子上的压电陶瓷环是行波形成的核心，它的电极配置如图96所示，其中。”、”表示极化方向。压电陶瓷片按照一定规律分割极化后分为A、B两相区，两相空间排列相差2(14波长)，并且分别施加在时间上也相差2的高频交流电(E1和E2)A、B两相分别在弹性体上激起驻波。两相驻波叠加后，将形成一个沿定子圆周方向的合成行波，推动转子旋转。 压电陶瓷片的厚度决定了在一定电压下是否能够起振，如果压电陶瓷片太厚(大于15mm)，则在通常情况下不易起振；如果压电陶瓷片太薄(小于O3mm)，则在高频谐振条件下，由于形变过大而容易发生断裂，并且加工难度也会增大。另外，压电陶瓷片的厚度对压电振子的固有谐振频率影响较大，通常取其厚度为0508mm。 由上可见由两个驻波叠加而形成行波，这在机理上与电机学中的旋转磁场理论有诸多相似之处。由本书第四章知道，当在单相绕组中通人单相交流电流时产生的是脉振磁场，如果有两个匝数相同、空间互差90电角度的绕组，当在其中通人幅值相等、时间相位互差90的对称交流电流时，所产生的两个脉振磁场的合成就是一个圆形的旋转磁场，旋转磁场的转向取决于电流的相序。在这里弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应而合成行波与旋转磁场相对应。将超声波电动机的行波与交流电机的旋转磁场联系起来，有助于对行波型超声波电动机工作原理的理解。 四、转子运动速度 下面通过分析弹性体表面上任意一点的运动轨迹，来确定转子运动的速度。 根据式(9-5)，在任意时刻f，弹性体表面上某点P的纵向振动位移为 设弹性体的厚度为H，则P点的横向振动位移为 由式(9 6)和式(97)，得 由此可见，弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭圆形，这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连续的定向拨动作用且转子的运动方向与行波方向相反，如图9-7所示(图97中小箭头表示弹性体表面质点的瞬时速度)。显然，如果改变激振电源的电压极性，便可以改变转子的运动方向。根据式(9 7)，弹性体表面质点的横向运动速度为横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处。此时的表面质点没有纵向速度，耳横向速度与行波方向相反(见图9-7)。若定、转子接触面之间没有滑动，则转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等，其值为 式中：负号表示转子的运动方向与行波方向相反。 实际上，定、转子接触面之间的滑动是难免的，因此超声波电动机转子的实际运动速度总是低于式(9-10)的值。 设行波在定子弹性体中的传播速度为由行波的基本特性可知 这样，转子运动速度又可写为 可见，在行波传播速度为恒值的情况下，改变激振电压的频率f0可以快速改变转速但存在一定的非线性。而改变激振电压的大小，即改变行波的振幅，也可以改变转速。如果忽略压电体逆压电效应的非线性，则转速可以随激振电压做线性变化，这就是超声波电动机变压调速的特点。 五、工作特性 一般而言，超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似，电动机的转速随着