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双转子柱体超声波电机运行机理与实验研究
双转子柱体超声波电机运行机理与实验研究 2011年12月09日 来源: 莫岳平1,2,胡敏强1,金龙1,徐志科1,顾菊平1,王心坚1(1.东南大学电气工程系,江苏 南京210096;2.扬州大学工学院,江苏 扬州225009)1 引言 由于超声波电机具有低速大转矩、动态响应快、无电磁干扰、惯性小、控制特性好、定位精度高、重量轻、结构简单等突出特点,因而在工业控制、精密仪器仪表、航空航天、汽车专用电器、智能机器人等领域中有着广泛的应用前景[1,2],受到许多国家高度重视。超声波电机可直接驱动负载,避免了使用齿轮变速而产生的振动、噪声、间隙以及低效率、难控制等一系列问题。所以,超声波电机是一种全新的自动控制执行元件,也是一种崭新的传动形式,是对传统电磁驱动原理的突破和有力的补充。 目前,环形行波型超声波电机已有较成熟的设计方法,但该型电机在小直径条件下,输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点,而且由于其结构的限制,效率也很难提高。而柱体弯曲振动超声波电机采用兰杰文振子结构,机械效率高。该电机依靠圆柱定子端部的摇头振动并通过摩擦来驱动转子,所以定子的直径越小,摇头振动的幅值越大,小型化更能显示出这种电机的优越性。因此,这种电机特别适合对电机的重量、体积、性能等方面有特殊要求的应用场合,如精密光学仪器、导弹导引头的跟随控制装置、照相机调焦等。另外,由于柱体弯曲振动超声波电机采用兰杰文振子,结构简单,压电陶瓷不需粘接,其装配工艺容易实现自动化,因而制造成本低,便于推广应用。所以该电机近年来在超声波电机领域备受关注。 柱体弯曲振动超声波电机的研究较晚,日本的Minoru Kurosawa于1989年首先介绍了此类电机[3];Morita Takeshi等于1995年采用水热沉积法(hydrothermal)在金属管上沉积压电陶瓷薄膜做成棒状定子,对其原理做了定性分析[4];Morita Takeshi和Pin Lu等分别报道了此类电机的结构、原理和性能等[5,6];褚祥诚等研究一种直径为1.8mm的棒状压电陶瓷微马达,阐述了压电微马达的驱动机理、部分制作工艺及工作特性[7];Shuxiang Dong等研制了直径15mm、单转子、基于弯曲振动模态的柱体超声波电机,该电机最大转矩0.055N·m、最低转速70r/min[8]。 本文研制的是一种双转子柱体弯曲振动超声波电机,它具备柱体型超声波电机的全部优点,并采用两个转子,充分利用柱体的弯曲振动,使电机输出转矩更大。文中阐述了柱体弯曲振动超声波电机的运行机理,证明了定子表面质点的运动轨迹为一椭圆;利用ANSYS有限元软件分析了电机的弯曲振动模态;用阻抗特性分析仪分析了电机的阻抗特性和相位特性;制作了直径为20mm的双转子柱体弯曲振动超声波电机,并对其输出特性进行了初步测试,该电机最大转矩达0.16N·m、最高转速为220r/min。2 电机结构与工作原理 图1为所研制的双转子柱体弯曲振动超声波电机结构。定子采用兰杰文振子、变截面形式,有螺杆把二组定、转子金属弹性体和二组四片压电陶瓷元件及电极片连接在一起。定子的这种设计使得压电陶瓷不需粘结,激振效率高,工艺简单,且定子直径越小,弯曲摇摆振幅越大。压电陶瓷元件利用纵向效应来激励电机定子的振动模态,所使用的压电陶瓷为环状。压电陶瓷电极分割为两部分,并且相互反相极化。四片压电陶瓷按极性相反两两叠合成一组。为了激励两个正交的弯曲振动模态,两组弯曲振动陶瓷环需互相错开90º。 利用单个圆柱形结构做成压电超声电机的定子,通过对定子的振型设计和压电陶瓷的极化与配置的设计,并通过驱动控制电路使定子表面质点产生椭圆运动,从而实现转子的旋转,如图2所示。通过交换两相激励电源的相序即可改变电机的旋转方向。这种设计从根本上缩小了电机的体积,突显超声波电机结构紧凑、低速大扭矩、可直接驱动负载和定位精度高的优点。而双转子结构,利用定子两端产生的两个相同的椭圆运动同时驱动两个转子转动,理论上可使电机输出转矩增加1倍。且充分利用定子振动,因而效率更高。3 双定子振动模态有限元分析 利用有限元方法来设计定子,可使定子在激励二个振动模态时不仅正交且频率保持一致。同时,通过有限元方法,可验证压电陶瓷在定子上放置的位置,使压电陶瓷激振效率最高。另一方面也可找到支撑位置,使
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