斜槽式模态转换型超声波电机.docx

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1、模态转换超声波电机的运行机理超声电机按照其振动特征可分类成单振动模态和多振动模态，单振动模态电机可继续分为行波型和驻波型，多振动模态超声电机也可分为模态转换型、复合模态型、模态选择型和复合换能器等。其中，模态转换型超声波电机是通过激发一组压电陶瓷的一种模态并利用此模态诱发出其它模态，两种模态频率相近、相位不同，这样可使定、转子之间的接触面质点产生椭圆运动，从而驱动转子转动。由于纵振子的机电转换能力强、功率大，所以模态转换超声波电机的振动驱动源一般采用纵振子。目前研究较多的模态转换超声电机有纵弯模态转换超声波电机、纵扭模态转换型超声波电机、

2、耦合振子式模态转换型超声波电机以及径扭模态转换型超声波电机[44]。纵扭模态转换型超声波电机结构简单，其定、转子间的接触为面接触，转换效率高，应用前景好。本章介绍了纵扭模态转换超声波电机的运转机理、振动模型以及分析了定子的参数对其工作模态的影响。4.1纵扭模态转换超声波电机的原理传统的纵扭复合超声波电机是利用纵、扭两种振动使驱动面上的质点产生椭圆运动，驱动转子转动。其结构主要由机座、定子和转子组成，定子中放置了纵振和扭振两组压电陶瓷，属于多模态超声电机中的复合模态超声电机[45]。而纵扭模态转换超声波电机只需要在定子中放置一组纵振压电陶瓷

3、，利用定子本身的结构诱发出扭振模态，从而实现其驱动面质点的椭圆运动，使得转子转动[46]。图4.1纵振模态向扭振模态的转换Fig.4.1Thetransformationfromlongitudinalvibrationmodetotorsionalvibrationmode传统的纵扭复合超声电机需要双振子结构，设计比较复杂，加工比较困难，而纵扭模态转换超声波电机不仅结构简单，还可以输出可观的扭矩和转速。模态转换型超声波电机利用纵振向扭振转换的原理如图4.1所示。在电机定子的外圆柱面开设斜槽，当被激励的纵振压电陶瓷产生的纵振波经过斜槽时有

4、一部分被转化成扭振波，一部分直接到达自由边界后反射回来，这样在电机的自由端面驱动处，产生了同频率但不同相位的纵振波和扭振波，从而在定、转子的接触面处产生椭圆运动，驱动转子转动[44]。纵扭模态转换器的转换过程示意图如4.2(a)所示，换能器主体为一个空心圆管，其外表面均匀分布着斜槽，设理想状态下，空心圆管可展开成如图4.2(b)所示的平面状态。由图可以看出，入射纵波经斜槽反射出纵波和横波，由于两个斜槽之间距离较小且远小于其波长，所以纵波和横波在斜槽间产生叠加，应力波叠加后在斜槽式转换器的轴向和周向产生振动分量，然后传播至模态转换器的输出端

5、产生复合振动[47]。(a)斜槽模态转换器示意图(b)斜槽对纵波作用示意图图4.2纵波转换原理Fig.4.2Thelongitudinalwavetransformationprinciple如图4.2(b)所示，假设所有产生的纵波均被反射，反射波包含纵波和横波，纵波以角为入射角入射，则有反射纵波以角为反射角反射，反射横波以角为反射角反射，斜槽与模态换能器轴线的夹角为。在自由面斜槽斜面上取微小段，则有入射纵波、反射纵波和反射横波的应力状态如图4.3所示[48]。图4.3纵波反射后的应力状态Fig.4.3Thestressstateafte

6、rlongitudinalwavereflection图4.4斜槽模态转换超声电机在一个周期内的运动Fig.4.4MotionofthechutemodetransformationUSMinacycle取定子驱动面上的任意一点P，当有外加电压激励时，质点P在一个周期内的运动过程如图4.4所示。定、转子在一个周期内具体的接触情况和驱动过程可分为八个阶段来分析[49]：在内，定、转子从临界状态逐渐开始接触，开始驱动转子；在内，定、转子间的接触越来越好，驱动力矩逐渐增加最后达到最大；在内，定、转子接触状态变差，驱动力矩越来越小；在内，定、转子

7、从接触状态变回临界状态，驱动力矩逐渐变小直至为零；在内，定、转子脱离接触，转子靠惯性转动；在内，定、转子彻底脱离接触且脱离距离达到最大，转子继续靠惯性转动；在内，定、转子继续脱离接触但脱离距离在缩小，转子继续依靠惯性转动；在内，定、转子仍然脱离但定子逐渐回到临界状态，转子继续靠惯性转动。综上所述，在前半周期内，定子处于伸长状态，驱动端位于纵振平衡位置以上，定、转子接触，定子将其所产生的扭振速度通过定、转子间摩擦作用传递给转子，实现电机运转；后半周期内，定子处于收缩状态，驱动端面位于纵振平衡位置以下，定、转子脱离，定子所具有的扭振速度并不能

8、传递到转子，此时转子依靠其自身的惯性仍旧继续以原速度方向运行，不断重复以上过程，转子就会累积每个周期内获得的微观位移而形成稳定、宏观的旋转运动。设为超声波电机定子驱动面上质点P绕中心轴扭转振动