谐波减速式超声波电动机的设计与实验研究
陈维山，李霞，刘军考
(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)
摘要：提出并设计了一种低速输出的谐波减速式行波超声波电动机，分析了其工作原理，并利用样机研究了行波超声波电动机和组装后的谐波超声波电动机的频率速度特性，获得双面齿行波超声波电动机和谐波减速式超声波电动机的****空载速度，且实验获得的传动比比设计的理论传动比大百分之二十。实验结果表明该电机能够低速可靠的运行。
0 引 言
相对于传统的电磁电机，超声波电动机具有结构简单、转矩／质量比大、低速大扭矩等特点，可实现直接驱动，响应快，能够断电自锁，不产生磁场，也不受外界磁场干扰，能够适应高低温真空等恶劣条件。因此，超声波电动机技术在20世纪末得到迅速发展，并在航空航天、机器人、汽车、精密定位仪、微型机械等领域得到成功的应用。
虽然超声波电动机具有低速大力矩的特点，但直接利用现有的超声波电动机驱动，电机转速相对还比较高。若通过调频、调压等手段使其运行在低速状态，则存在速度稳定性差的问题。因此为获得较低速的驱动机构，本文将谐波摩擦传动原理应用于行波型超声波电动机中，将超声波电动机和谐波减速器相结合，设计了一种谐波减速式超声波电动机，解释了其工作原理，并制作了谐波减速式超声波电动机样机。
1谐波减速式超声波电动机工作原理
l 1行波超声波电动机运行原理
行波超声波电动机的定子是由压电陶瓷和金属弹性体粘接而成，本文设计的行波超声波电动机采用在定子上下表面分别粘有压电陶瓷片的结构，如图1所示。定子金属弹性体上下表面每片压电陶瓷片由一相正弦波电压激励出一列驻波，上下两片陶瓷
片的分布在空间上相差1／4波长，两片陶瓷片由时间上相差1／4周期的两相高频信号激励，每相激励产生的驻波叠加后在定子的外圆周形成弯曲行波，定子齿端的质点做椭圆运动，通过定转子接触面的切向剪切力驱动转子旋转，转子转动方向与行波的传播方向相反。图2为电机的行波激励示意图。
在上、下陶瓷片处分别通以V0sin(ωt)、V0cos(ωt)的激励信号，则上下两片压电陶瓷片的振动方程为：
式中：V0为激励电压的振幅；θ为空间角度；ω为振动角频率；t为振动时间；
，n为定子圆周
上的波数。则由两个正交驻波生成的行波可以表示为：
1 2谐波摩擦传动的运行原理
谐波摩擦传动是在谐波齿轮传动理论的基础上提出的一种利用摩擦力进行运动和动力传递的传动方式，利用谐波传动和摩擦学原理，把柔轮和刚轮做成了无齿的光滑表面，利用柔轮和刚轮过盈配合产生的过盈力产生摩擦所需要的正压力，从而产生运动和动力传递所需要的力矩。相对于谐波齿轮传动，谐波摩擦传动具有加工容易、成本低、传动过程中振动比较小、容易提高传动精度等优点，当然由于谐波摩擦传动利用刚轮和柔轮之间的过盈配合产生的摩擦力实现运动和力的传动，因此设计时首先要从理论上避免刚轮、柔轮之间的运动滑移及卡死现象。
行波超声波电动机和分布其圆周外的滚动体共同构成波发生器，通过布置在行波超声波电动机转子连接件外圆周上的三个滚动体挤压柔轮，使柔轮产生周期性的弹性变形，柔轮和刚轮之间通过摩擦接触实现速度和力矩的传递，从而形成固定波形的三波摩擦式谐波电机。图3为转子连接件、柔轮和刚轮的装配关系简化图。当柔轮固定，转子连接件主动、刚轮为从动时，柔轮在转子连接件和滚动体的共同作用下产生变形，在和滚动体接触点处与刚轮完全接触，在没有和滚动体接触处柔轮和刚轮完全脱开。转子连接件的连续转动，接触、脱开两种情况依次变化，循环往复。
当波发生器旋转，柔轮沿刚轮滚动，若无滑动滚动，则两轮中之一应转过一个取决于周长差的角度。对于本文，柔轮固定，波发生器输入，刚轮输出。当波发生器旋转一周时，刚轮沿转子连接件的旋转方向转过的角度：
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