弯扭复合模态超声电机设计与实验研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文[10]椭圆或者斜椭圆），从而实现转子的驱动效果。以典型行波形超声电机为例介绍超声电机的工作原理，如图1-1所示，通过在相邻两组压电陶瓷中施加A和B两相相位相差90°的交流电压，从而在定子金属基体中各激励出一列驻波，两列同型驻波叠加，在定子基体中形成弯曲行波，行波的运动使得定子与动子接触点在垂直接触面的方向做椭圆轨迹运动，在动子上施加一定的预紧力，使得动子与定子紧密接触，在二者之间的摩擦力作用下，动[11]子做与行波方向相反的运动。图1-1典型超声电机工作原理图1.2

2、.2超声电机起源超声波电机起源于上个世纪四十年代，英国学者Williams和Brown申请了第[12]一个揭示超声电机原理的压电马达专利，如图1-2所示。该结构为在正方形的金属弹性体上下和左右两侧各粘结两组压电陶瓷片，通过两个方向相互垂直的弯曲振动模态，叠加可以合成椭圆运动状态，这是超声波电动机的最初原型。图1-2第一个压电电机专利20世纪60年代初，日本将弹性振动应用于钟表齿轮驱动上，具有较好的精度[13][14][15]，同时代，Archangelski和Lavrinenko研究了也对压电马达

3、进行了一系列探索研究，但受当时的客观条件限制，此时的超声电机还仅仅处于概念性设计阶段。随后的十年里，美国西门子公司（Siemens）以及日本松下电器公司（Matsushita）-2-万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文等有设计了直线超声驱动器和步进式超声电机，但获得的转矩和转速都较小。IBM[16]公司的H.V.Barth等学者又对超声电机进行了一系列深入研究，取得了突破性成果，研制出具有现代意义的超声电机结构，如图1-3所示，但电机效率较低，磨损较大，此时的超声电机并未能走向工程应用。转子振动

4、片动输出轴子压电振子B压电振子A压电振子图1-3H.V.Barth研制的超声电机构型图1-4Sashida研制的超声电机[17]直到八十年代初期，日本Shinsei公司的ToshiikuSashida提出了振动片形式的超声波电动机，如图1-4所示。通过Langevin振子驱动与转子有一定倾角的振动片，振子的纵向振动可分解为垂直于转子的X方向和与转子相切的Y方向两个运动状态，两个运动状态合成形成图右侧的接触点椭圆驱动轨迹。该电机输出功率较大，效率较高，体现出了超声电机的优点，具有较好的实用价值。[1

5、8,19]1983年，Sashida开发了行波型超声电机，展现了超声电机较好的应用价[20]值，随后逐渐将超声电机商品化，首先应用于照相机和打印机上。超声电机随即进入大规模研发阶段，日本、美国、德国、韩国等国家逐渐将[21,22]超声电机推向市场。超声电机成为各国对微特驱动器研究的一个重要领域。1.2.3超声电机特点超声波电动机作为一种新型的驱动器，与传统电磁式电动机相比，有其独特[5,23]的特点，其中优点主要有以下几个方面：大转矩低转速传统电机要实现扭矩低转速需要庞大繁琐的变速机构，而超声电机

6、可以直接驱动负载，无需减速设备，大大降低了系统的繁杂性。能量密度高超声电机结构紧凑，设计较灵活，能量密度与传统电磁电机相比可达后者的3~10倍。快速响应超声电机通过压电材料通高频电产生机械变形实现驱动，压电材料的响应很快，使得超声电机定转子之间产生驱动响应很快，超声波电动机的响应速度一般在ms级。-3-万方数据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文定位精度高定子在超声频率内振动的振幅一般是m量级，在不考虑滑移情况下，系统的定位精度可达到m级。断电自锁功能超声波电动机靠摩擦力驱动转子，在断电时，在定转子

7、之间的预紧力作用下，二者之间存在较大摩擦力，能够实现自锁。不受电磁干扰由于超声波电动机用压电材料取代了传统电磁电机中的铜线圈，内部无磁场作用，因此可以在有较高磁场干扰环境下工作。但超声电机的激励原理和致动机理也使得其存在固有的一些缺陷，诸如：寿命短，不适合长时间工作超声波电机靠摩擦力驱动动子，因此在定转子接触面存在磨损的问题，长时间的连续工作，磨损会加大，会影响到电机的输出性能。输出效率低，功率较小超声电机实现驱动有两次能量转换，一是将电能转换成机械能，这个过程会有压电振子内部损耗发热，二是在摩擦

8、作用下将定子的超声频域振动能转换成转子的动能，这个过程会有摩擦损耗，两次能量损耗会使得电机的输出功率降低，从而影响电机的效率。对控制电源要求较高要使得超声电机产生有效驱动，激励压电陶瓷的信号要求在超声频段，输出[23]信号具有稳定性且相位可调等，因此电源的设计较为复杂。1.2.4超声电机的分类超声波电机形式设计多变，结果多种多样，目前对于超声电机的分类一直没[5]有一个清晰的界限，不同的分类方式之间也会存在交叉，对超声波电机的命名也较为混乱，目前被采用较多的有按结构形状，振动模式，