一种改进型共轴并联式超声波电机设计
张焱，胡敏强，宋爱国，靳宏，金龙
（东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心，南京210096）
摘要：为提高传统环形行波型超声波电机的输出转矩，研制了一种改进型共轴并联式双定子双转子超声波电机。与传统行波型超声波电机相比，这一电机在保证驱动电源和直径不变的基础上，通过略微增加的体积，将输出转矩在理论上增加一倍。同时，通过对这种电机的样机进行实验检测，输出转矩较同型号超声波电机增加百分之80，表明该电机具有实际生产价值和广阔的应用前景。
关键词：行波超声电机；大力矩；共轴并联
中国分类号：tm359.9 文献标志码：a 文章编号：1001-6848(2010)02-0037-04
0引 言
超声波电机是一种利用压电材料的逆压电效应，把电能转换成弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式，将超声振动转换成转子运动的电动机。其中行波型超声波电机利用的是弯曲一弯曲振动模态，定、转子间的接触是局部面接触，定子连续推动转子旋转，大大降低了定、转子接触界面的磨损。因此，环形行波型超声波电机除拥有响应快、低速大转矩、无输入自锁、不受电磁干扰等优点之外，还具有寿命长、传动效率高等优点。
由于行波型超声波电机的定、转子之间是局部接触，使得输出转矩较小。为解决这一问题，******易行的方法是通过增大电机直径和轴向压力的方法。但是，直径的增加直接导致了电机体积大幅度地加大；而轴向压力的增加又将导致电机内部摩擦损耗的加剧，降低了电机的使用寿命。为解决这一问题，本文提出一种改进型共轴并联式双定子双转子结构，从电机结构上进行重新设计，在不过多螬加体积和保证电机各项性能指标的基础上，提高电机的输出转矩和输出功率。
1结构设计
改进型共轴并联式超声波电机是在传统的umt60型超声波电机的基础上进行改进，只提高电机的输出转矩和功率，而不改变电机的其他工作性能，其结构图如图1所示。
改进型共轴并联式超声波电机由一个转轴、两个定子和两个转子，以及安装固定底座和端盖组合而成。两个定子粘贴压电陶瓷和摩擦材料后，通过螺丝分别与底座和端盖固定在一起。两个转子装配在同一根轴上后，轴的两个输出端由固定在底座和端盖上的轴承中伸出。由此形成共轴双定子双转子行波型超声波电机。
在图l所示改进型共轴并联式超声波电机结构图中，有以下特点：
1)同轴的两个定、转子结构与标准umt60型环形行波型超声波电机的定转子结构相同。利用机械零件加工的一致性和优化选择，保证两个定子性能一致。
2)在两个定子上，与转子相接触的面上分别粘贴摩擦材料，以减少电机转动过程中的摩擦损耗，延长电机的使用寿命。
3)在两个定子上，靠近底座和端盖的面上分别粘贴压电陶瓷片，保证定子在电源的驱动下，按照预定的方式振动，用以驱动转子旋转。
4)通过对转轴结构的改变，使之卡在底座和端盖的轴承间，用以提高电机轴向的耐振动冲击能力。
5)转轴提供了两个输出端。一端从底座伸出，用以带动负载；另一端从端盖伸出，用以直接与传感器连接。
由此设计，便实现了环形行波型超声波电机的双定子双转子共轴工作方式。两套相同结构的定、转子不仅在同一根轴上实现了转矩叠加，提高了电机的输出转矩；还使得彼此之间有一定的独立性，消除了两个定子在振动过程中的相互影响。
2设计原理
由于这一电机中任意一套定转子结构和传统umt60型环形行波型超声波电机结构完全相同：定转子均为环形结构；其中，定子上开有齿槽，定子同转子接触面覆有一层特殊的摩擦材料，定子背面粘接上压电陶瓷。因此它侗的工作原理也相同：通过对极化后的两相压电陶瓷片同时施加频率相同的交流电压，保证这两相电压在空间上和时间上相位均相差90度，从而在定子上产生行波；于是定子上的质点产生椭圆运动，进而依靠定转子间的接触摩擦驱动转子带动转轴旋转。
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