面内旋转模态超声波电机设计的若干技术
郭 辉，孙合明，赵淳生
（南京航空航天大学，江苏南京210016）
摘要：阐述了面内旋转模态超声波电机的工作原理，针对面内旋转模态电机的特点，分别从陶瓷片的极化、工作界面的确定、振动模态的选择、定子的固定方式、预紧机构的设计几方面论述了电机设计过程中应当注意的问题。
关键词：面内弯曲振动；旋转模态；超声波电机
中图分类号：tm302 文献标识码：a 文章编号：1001-6848(2000)01-0011-03
1 引 言
自80年代初压电超声波电机开发成功以来，关于超声波电机的进一步研究不断取得新进展，由于此一新形式的电机具备通常电磁电机所没有的低转速下大转矩、不产生磁性干扰等优点，故在诸多领域有着非常良好的应用前景。
适应现代化工业产品小型化、微型化的需要，超声电机不仅仅体积要小，而且厚度要薄。与通常的利用圆盘轴向弯曲振动模态的行波型压电超声波电机相比，利用面内弯曲振动模态的超声波电机定、转子之间不沿轴向而沿径向接触，故更有利于实现薄型化。另外值得一提的是，此种电机的定子可只由陶瓷片构成，也可制成功率为毫瓦级的产品。图1为一种利用面内弯曲振动模态的压电超声波电机结构简图。
由于此种电机所利用的模态和通常的行波型超声波电机不同，因此在具体设计上存在自己的一些特点，有必要对此进行探讨。
2电机工作原理
一个位于圆环面上的旋转型模态可以产生驱动力[1]。要实现面内旋转型模态，可以直接利用两个同阶的面内弯曲振动模态合成。面内弯曲振动模态为简并形式的模态，即同一个频率对应着无数个同形模态。对于连续体振动模态，其表现形式是一简正的驻波，即可以用下式表示：
当给圆环以空间和时间上均相差90度的两个激励信号时，则在此圆环周边上就将由两个简正的驻波形成一旋转模态，即一行波。用数掌式子可表示为：
依靠摩擦力的作用，此旋转模态将带动与之相接触的转子转动[1]。
3电机设计的若干问题
3.1电机陶瓷片的极化
面内旋转模态电机陶瓷片极化方式有沿径向极化和沿轴向极化两大类，这两种极化方式在实际中都有应用，径向极化方式更有利于激发出所需要的面内弯曲振动模态。此种电机的陶瓷片虽仍然可以采用轴向极化方式进行极化，但为了更为有效地激发出所需面内弯曲振动模态，必须考虑振子在作面内弯曲振动时陶瓷片表面的电荷分布。只有当极化方式和电荷分布相一致时才能取得理想的激振效果。
圆环振子在作面内弯曲振动时的表面电荷分布有如下计算公式[3]：
陶瓷片在极化时要依此公式作出表面电荷分布沿圆环径向的曲线，找到电荷为零的圆周，再结合所用的具体模态可完成压电陶瓷的分区。图2和图3为陶瓷片分别采用径向极化和轴向极化方式时的分区图，所用模态为(2，1)。
3.2定转子接触界面的选择
由于面内旋转模态电机利用圆环字子的周边带动转子工作，所以对于电机定子，它有内环周面和外环周面可供使用，在电机设计过程中，可根据具体情况选择。要注意的是，在选择某一面内弯曲模态时，首先要考虑圆环定子的内、外圆周上能否形成椭圆轨迹，要注意圆环定子的内、外半径比的变化对其内、外圆周面上所形成的椭圆轨迹的影响。因为对于旋转模态电机，当定子与转子接 |
