杆状弯曲行波型超声电机运动机理分析.pdfVIP

杆状弯曲行渡型超声电机运动机理的分析 杆状弯曲行波型超声电机运动机理的分析+ 董迎晖赵淳生黄卫清 (南京航空航天大学超声电机研究中心南京210016) 摘要为了深入研究杆状弯曲行波型超声电机的运动机理，本文分析了定子表面质点椭圆 运动轨迹的形成．并将椭圆运动分解为产生驱动力的有效椭圆运动与使定、转子产 生径向滑动的径向直线运动；然后基于有效椭圆运动变化情况．分析了在两相振幅 不平衡和任意相位差情况下对转子运动平稳性的影响，为这类电机的设计和性能控 制提供理论依据。 关键词弯曲行波型超声电机；行波；椭圆运动；运动平稳性 引 言 行波型超声电机是借助于行波的传播来驱动转子运动的。行波使得与转子接触的定 子表面质点沿椭圆轨迹运动，利用定子与转子接触处的摩擦力推动转子运动，这就是行波 超声电机传动的最基本的工作原理。人们利用这个原理已经设计出各种各样的行波型超 声电机。例如，环形行波型超声电机和杆状行波型超声电机是其中典型的两种。对环形 行波型超声电机运动机理已经有了很多研究，杆状行波型超声电机目前只限于用几何方 法推导了定子表面质点椭圆运动的轨迹。本文从动力学角度着手，通过坐标变换，推导出 质点在切向、法向和z轴方向的位移方程；并以此为基础分析质点的椭圆运动特点以及 转子运动的平衡性，为杆状行波型超声电机的设计和性能控制提供理论基础。 1 弯岫行波塑趋声电机原理介绍 图1(n)为杆状弯曲行波型超声电机结构，该电机的定子为杆状兰杰文振子，压电陶 转子 定子 压 (n)电机结构 (6)压电陶瓷布局 图2杆状行波型超声电机原理 图1杆状弯曲行波型超声电机结构 *国家自然科学基金重点项目(编号：502335010)。 ·279· 振动利用技术的若干研究与进展 瓷与电极片通过上、下配重块与带螺纹的轴连接压紧。压电陶瓷的极化布局如图1(6)所 示。当在A相压电陶瓷上施加交变电压时，激发出左右方向的一阶弯曲振动；当在B相 压电陶瓷上施加相位相差90。的交变电压时，激发出前后方向的一阶弯曲振动。两相电 压同时施加时，两个在时间和空间上相差90。的弯曲振动模态合成为一个绕定子轴线旋 转的弯曲模态，从而在定子端面形成行波，驱动转子转动，如图2。 2 运动机理分析 杆状弯曲行波型超声电机利用的是弹性梁的一阶弯曲振动。如果在压电陶瓷片上作 用一交变电压：V(t)=Vmsincot，梁就在压电陶瓷的作用下产生强迫振动，强迫振动响应 为： w(z，t)=WI(z)sinwlt (1) w，(z)表示梁的一阶弯曲振型函数L2j。 假设P为定子表面任一点，如图3(n)。当A相单独激振时，根据(1)式，令定子梁中 性层位移方程为： Woz(2，t)=Wl(z)coso”1￡ (2) 如图3(6)，P点在x方向上位移可以表示为： 桃(z，t)=W0。一(1一c080)x (3) 由于弯曲振动振幅很小，弯曲角0也很小，上述位移可近似表述为 uk≈Woz=W1(z)oo“1￡ (4) 同理．当B相激振时，P点在y方向的位移为： ∞v≈Wov=wl(z)sino。lt (5) (o)P点位置示意图