特种电机及其控制 孙建忠 第6章USM

《特种电机及其控制 孙建忠 第6章USM》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、超声波电动机UltrasonicMotor特种电机及其控制1超声波电动机的基本原理3超声波电动机的优点及其应用2超声波电动机的发展6超声波电机存在的问题及研究重点4超声波电动机的常见结构与分类5行波型超声波电动机的驱动控制教学基本要求超声波电动机及其发展概况分析与思考练习题返回主页特种电机及其控制超声波电动机(UltrasonicMotor，简称USM)是近年来发展起来的一种全新概念的驱动装置，它利用压电材料的逆压电效应(即电致伸缩效应)，把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换成运动体的回转或直线运动。这种新型电机一般工

2、作于20kHz以上的频率，故称为超声波电动机。1超声波电动机的基本原理上一页下一页返回上一节下一节超声波电动机的不同命名：如振动电动机(VibrationMotor)、压电电动机(PiezoelectricMotor)、表面波电动机(SurfaceWaveMotor)、压电超声波电动机(PiezoelectricUltrasonicMotor)、超声波压电驱动器/执行器(Ultrasonicpiezoelectricactuator)等等。特种电机及其控制1.1超声波电动机的结构上一页下一页返回上一节下一节特种电机及其控制上一页下一页返

3、回上一节下一节超声波电动机由定子(振动体)和转子(移动体)两部分组成但电机中既没有线圈也没有永磁体，其定子由弹性体(Elasticbody)和压电陶瓷(Piezoelectricceramic)构成转子为一个金属板。定子和转子在压力作用下紧密接触，为了减少定、转子之间相对运动产生的磨损，通常在二者之间(在转子上)加一层摩擦材料。特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节工作原理：对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，压电陶瓷随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩

4、擦材料以驱动转子旋转。特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节当对粘接在金属弹性体上的两片压电陶瓷施加相位差为90电角度的高频电压时，在弹性体内产生两组驻波(StandingWave)，这两组驻波合成一个沿定子弹性体圆周方向行进的行波(ProgressiveWave/TravellingWave)，使得定子表面的质点形成一定运动轨迹(通常为椭圆轨迹)的超声波微观振动，其振幅一般为数微米，这种微观振动通过定子(振动体)和转子(移动体)之间的摩擦作用使转子(移动体)沿某一方向(逆行波传播方向)做连续宏观运动。特种电机及其控制上一页下一

5、页返回上一节下一节A.行波的形成将极化方向相反的压电陶瓷依次粘贴于弹性体上，当在压电陶瓷上施加交变电压时，压电陶瓷会产生交替伸缩变形，在一定的频率和电压条件下，弹性体上会产生图示的驻波，用方程表示为1)高频电压驻波1.2USM的工作原理特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节A.行波的形成2)两驻波行波设A、B两个驻波的振幅同为0，二者在时间和空间上分别相差90，方程分别为在弹性体中，这两个驻波的合成为一行波特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节极化规律：将一片压电陶瓷环极化为A、B两相区，两相区之间有/4的区域未极

6、化，用作控制电源反馈信号的传感器，另有3/4波长的区域作为两相区的公共区。极化时，每隔1/2波长反向极化，极化方向为厚度方向。图中“+”“”代表压电片的极化方向相反，两组压电片空间相差/4，相当于90，分别通以同频、等幅、相位相差为90的超声频域的交流信号，这样两相区的两组压电体就在时间与空间上获得90相位差的激振。A.行波的形成3)在USM中形成行波USM的定子由环形弹性体和环形压电陶瓷构成，压电陶瓷按图示的规律极化，即可产生两个在时间和空间上都相差90的驻波。特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节B.弹性体表面的椭

7、圆运动设弹性体厚度为h。若弹性体表面任一点P在弹性体未挠曲时的位置为P0，则从P0到P在y方向的位移为由于行波的振幅比行波的波长小得多，弹性体弯曲的角度很小，故y方向的位移近似为特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节B.弹性体表面的椭圆运动从P0到P在x方向的位移为又所以特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节弹性体表面上任意一点P按照椭圆轨迹运动，这种运动使弹性体表面质点对移动体产生一种驱动力，且移动体的运动方向与行波方向相反。B.弹性体表面的椭圆运动特种电机及其控制上一页下一页返回上一节下一节弹性体表面质点的横向运动速度

8、为横向速度在行波的波峰和波谷处最大。若假设在弹性体与移动体接触处的滑动为零，则移动体的运动速度与波峰处质点横向速度相同。其最大速度为V——行波在定子中的传播速度f——电机的激振频率调节激振频率可以调节电机的