行波型与复合型超声波电机的比较

    赵衡兵，郭吉丰，陈永校

    (浙江大学电机工程学系，浙江杭州  310027)

摘  要：介绍了行波型和复合型超声波旋转电机的结构和运行原理，从其产生旋转运动的饥理出发，分折了各自所利用的模态及驱动接触面的情况，设计思路和控制方法上的异同。

关键词：行波型超声波电．机；驻波型超声波电．机：复合型超声波电．机

l  引  言

    微型机械是近几年发展起来的一个崭新的研究领域，作为世界瞩目的重大研究方向，现已经受到世界上各发达国家的普遍重视和深入研究，而且对作为微型机械的核心——微电机也提出了越来越高的要求。超声波电机作为微特电机的一种，具有结构简单、响应速度快、断电自保持、能获得低速大转矩、可用于直接驱动等特点，在航空航天、微型机械、机器人、自动控制等领域有着广泛的应用前景。

    超声旋转电机是利用压电陶瓷材料的逆压电效应，把电能直接转换成超声频域内的振动，通过摩擦驱动与其接触的转子运动。其基本原理是利用压电陶瓷材料激发出定子表面质点的椭圆运动轨迹，根据其激发椭圆运动的方式不同，可分为行波型和驻波型两种。

    目前所见旋转超声波电机的文章多为行波型的，相对来说行波型超声波电饥的研究日趋完善，在日本已实现批量化生产，但从提高电机的力能指标来看，复合型超声波电饥更具有优势。

2行波型和复合型超声波电机的结构

    行波型超声波电机的常见结构如图1所示，由压电陶瓷片、带齿的定子弹性体、摩擦材料、转于等组成，转子以一定的压力与定子接触，定子弹性体上的齿起振幅放大作用。“+”“-”代表压电片的极化方向相反，两组压电片空问相差λ／4．棚当于π/2．分别通以同频、等幅、相位相差π/2的超声频域的交流信号。

    复合型超声波电机的结构形式较多，有的采用模态变换振子，如斜槽形式，三脚梁形式；有的采用纵扭振子复合，本文针对正反转特性一致的纵扭复合型超声波电机给予介绍，其常见结构如图2所示，纵扭复合型超声波电机主要m夹心式定于和转子组成，纵、扭压电振子夹在弹性体之间构成定子，转子通过一碟簧以一定的压力与定子接触，转子与定子接触的端面上涂敷有一层摩擦材料，以增大摩擦系数及减小定转子问的磨损。纵振子由两片厚度方向极化的陶瓷环组成，扭转振子由多片切向极化的扇形片组成，图中箭头所示方向为压电陶瓷的极化方向。纵扭振子分别通以同频、有一定相位差的交流信号。

3行波型和复合型超声波电机的运行原理

    行波型和复合型超声波电机都是利用压电陶瓷的逆压电效应，激发出定子弹性体表面质点的椭圆振动，通过摩擦力驱动以一定压力与其接触的转子作旋转运动，但两者激发定子表面质点椭圆运动的方式不同。

    行波型超声波电机是利用时间相位差π／2的两组交流信号分别作用在空问相位差为π／2的两组压电片上，两组信号频率、幅值相同，分别在定子中激发出两组空间和时问上相位相差π／2的驻波

y=yl+y2=Asin(x+ωt)    (3)

由角尺传动原理可得齿顶切向的位移为：

式中  h——齿顶到弹性环中性面的距离定子齿顶部质点的运动轨迹为一椭圆：

    纵一扭复合型超声波电机由两个振子：一个纵振子和一个扭转振子激励，纵振子产生轴向振动，由控制定子和转子问的摩擦力，转扭振子产生扭转振动，用以驱动转子输出力矩。其中两振子的驱动电压频率相同。假设在纵、扭振子激励下，定子表面质点沿轴向和切向分别作简谐振动，且相位差为π／2，其位移分别为：

则定子表面质点的合成运动方程为：