行波型超声波电动机的样机制造技术
石 斌 胡敏强 钱俞寿（东南大学南京210096）
1 引 言
超声波电动机(简称usm)是一种应用压电陶瓷的逆压电效应，通过摩擦驱动，把电能转换为机械能输出的新型直接驱动电机。它完全不同于传统的电磁电机，有磁极和绕组，无需通过电磁相互作用传递能量。usm具有功率密度大、无电磁干扰、低速大转矩、动态响应快、运行无噪声等****的特性，在非连续运动领域及精密控制领域，usm要比普通的电磁电机的性能优越得多。usm在工业控制系统、汽车专用电器、超高精度测量仪器、办公自动化设备、智能机器人等领域有广阔的应用前景，倍受科技界和工业界的重视，为当前电气工程领域的一个研究热点。
我国于90年代初开始步入usm的研究行列，众多高校及研究所在国家、省自然科学基金、教委博士点基金的资助下，开展usm的理论及实验研究及开发，已取得了一些可喜的成果。但目前在usm样机的设计与制造技术方面，还缺乏深入细致的研究，这在一定程度上妨碍了我国usm产业化的进程。本文在综合大量资料文献基础上，结合本研究小组在usm设计制造方面的工作，阐述了usm的设计理论及方法，给出了usm样机制造过程中的一些技术要求及关键技术。
2 usm的基本原理
usm与传统的电机不同，无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力。它一般由振动体（相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成）和移动体（相当于传统电机中的转子，由摩擦材料及塑料等制成）组成。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应产生几十千赫的超声波振动，将这种振动通过振动体与移动体间的摩擦耦合，变换成旋转或直线型运动。图1为环状行波型usm的基本原理图，定转子由轴向力压在一起，定子压电陶瓷元件的排布如图2所示，其中b区振子在空间上与a区振子间隔1/4波长(a/4)。当a区振子加正弦激励信号b区振子时，在空间上可产生行波，使定子表面上的点作与波传送方向相反的椭圆运动，如图1所示[1]。
如果将一移动体（转子）压在振动体（定子）上，则两者仅在波峰点接触，受摩擦力的作用，移动体向行进波的反方向移动。依靠行波驱动方式可连续地对移动体施加驱动力，改变波的方向，即可改变移动体移动（转子旋转）方向。
3 usm的设计方法
usm虽然经历了十几年的研究和发展，但仍有许多有关其性能的理论问题尚未解决。不像电磁电机，usm的设计经验非常有限，还未建立起系统的设计理论与方法。
实际上，为推动usm的实际应用，完全有必要确立一套usm的设计方法，以便预估usm的负载特性，同时对usm的运行特性进行必要的分析。在讨论设计之前，要从理论上和实验上研究电机的基本性能。由于usm定转子间相互作用的复杂性和其本身固有的非线性，很难对其进行精确的数学分析。目前的设计多是基于usm的等效电路及简化模型的分析基础上，结合具体的试验研究进行的。
首先需要构造usm振子的机电转化等效电路，建立usm定转子接触的简化模型，然后通过对等效电路和简化模型的分祈，求取各量之间的关系，利用实验确定等效电路中的参数。在获得了等效电路参数后，就可以利用等效电路解释usm的输入输出特性，分析和预估电机的性能，直接为usm的设计服务（因为usm的设计也是基于同一等效电路和简化模型的基础上的）。
对于环形行波型usm，设计时需明确电机所要达到的特性及尺寸要求，如空载转速、****转矩、振子驱动半径等，通过设计得到振予尺寸及加在转子上的静态力（预压力）。设计中，定子齿槽的深度、定子弹性体厚度和预压力作为设计变量，以振子的机电转化效率为目标函数。设计步骤为[3]：
(1)给出设计要求：usm的空载转速，****输出转矩，振子驱动半径。
(2)选择定转子材料，给出相关参数。
(3)由空载转速确定振子表面质点的****切向振动速度。
(4)由****输出转矩及定转子间摩擦系数确定usm轴向预压力。
(5)通过等效电路模型，优化转子机电转化效率，选择定子弹性体厚度。
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