超声电动机模型分析的研究
胡敏强1，顾菊平1，2，莫岳平1，金 龙1，王心坚1，徐志科1，石 斌1
(1．东南大学，江苏南京21009612．南通工学院．江苏南通226007)
擒要：针对超声电动模型，第一次对其分析方法进行了对比分析．综合析法、有限元法和致电路法的特点．建立了一套行之有效的行渡超声电动机分析方法．并成功设计了专和产晶——均压型行波赶声电动机及其驱动控翻嚣．该方法为翘声电动机的驱动控翻簟略和控翻方法的实现羹定了理论基砖．为样机设计提供了际经硷．对我国翘声电动机产业化及其原材科的一产化作了有效摄索．
关键词：超声电动机； 模型分析；等效电路法：FEA
中图分类号：TM38l 文献标识码：A 文章编号：11001—6848(2002)01—0006--O5
1 引 言
随着现代科学技术的迅速发展，电子设备、精密仪器、光学系统以及各种工厂、办公自动化设备要求小型化、精密化、环保化，对散电机伺服控铡系统提出了越来越高的性能指标要求(如：低速大转矩、快速精密定位、良好的电磁兼容、低噪声甚至静音设计等)．传统驱动控制系统主要依靠伺服电机驱动．如要获得定位控制系统所要求的低速大转炬，就必须使用壤遗传动机构．这不仅增加了机械部件的复杂性和系统体积、重量．而且减速齿轮对驱动系统的反冲效应、对进绘量的放大效应等邦严重影响系统的其它性能．严重阻碍了系统中控制的快速性和精性[1]．多年来．为解决这一“瓶颈”．科技界和工业界就一直致力于寻求各种更为适宜的直接驱动方式，以满足各种装置小型化和精密化的要求，超声电动机恰好弥补传统电磁式电机在驱动控镧系统应用中的不足．
超声电动机(Ultrasonic Motors，简称USM)是20世纪80年代发展起来的一种直接驱动电机．由于其性能****，应用前景广泛．备受人们重视，它已成为当前机电控制领域的一个研究热点，并列人国家“十五”规划，长期以来，超声电动机及其驱动控器的研究大多通过实验．耍获得****样机设计和****工作特性，需要消耗大量时问和资源．这导致超声电动机不仅性价比不高．控制手段与控制策略单一．而且国内原材料及加工工艺不能配套，都直接影响超声电动机的应用研究和产业化进程．因而寻求更有效的USM分析手段和设计方法一直是超声电动机领域研究的重点．
实用的定性、定量分析有解析法(能量法)、有限元法、等效电路法．作者在超声电动机的研究开发中，针对各种方法的优缺点，扬长避短，摸索了一套行之有效的分析方法：首先利用解析法．即基予HamiIton能量原理对定子进行效学建模．导出整个电动机的运动分析梗珊，再用有限元方法对定子撮动模态进行精确的分析与计算．井分析电动机几何尺寸、粘按层对振动性能的影响，最后用等效电路法来进行超声电动机驱动控制电路的设计与制作．设计的定子直径为lOOmm(国内****)的均压型行波超声电动机获得国家专利，该电动机的原材料全部国产化．通过外协的配合．作者解决了原材料加工困难及工艺要求精密等同题．实验结果表明．这种综合方法是实用有效的．为超声电动机及其驱动控制技术的研究提供了宝贵的经验．为超声电动机的产业化及国内原材科基础工业及工艺的发展提供了理论分析方法和实用分析手段．
2解析法
2．1辩析法在趋声电动机中的应用
旋转塑、直线型超声电动机的动态设计已成为世界范圈内的一个重要研究课题。为实现超声电动机的综合设计，需要一个能够反映驱动机理的解析公式．用于分析各种材料特性和结构尺寸对电动机性能的影响．为电动机的优化设计提供工具．Hagedorn论证了定子自由振动的简单模型；Maeno使用解析模型和有隈元相结合的方法研究了电动机接触机理和相互作用，Zharii研究了USM定转子问的光滑接触和粘附接触，并导出了相关应力、位移及速度的分布研究了环形压电定子的动力学问题; WaIlaschek讨论了USM中不同接触模型;Hag00d提出了一个普遍的压电旋转电动机的舸析公式，为分析目前大部分USM提供解析分析的框架;Mass建立了能够用于控制的解析模型。
2．2超声电动机梗型的描述和组成Ⅲ
USM的运行特性取决于定子振动的形状、频率和幅值，接触层的尉度、阻尼、摩擦特性，转子的黍性．垂直预压力．定转子的静态弯曲等渚多因素。很难建立一个普遍的模型包含以上所有因素，因而，往往针对特定的应用和研究需要建立面向特定问题的筷墨。通常的分析步骤为：首先根据定子搬动结构， |
