薄型超声电机两相及单相激励时工作机理分析与实验研究分析.DOCVIP

个人收集整理 仅供参考学习 个人收集整理 仅供参考学习 PAGE / NUMPAGES 个人收集整理 仅供参考学习 薄型超声电机两相及单相激励时地工作机理分析与实验研究 摘要：该文对环状超声电机定子中地行波地特征进行了分析，探讨了行波状态下电机定子端面质点椭圆运动轨迹与矩形板表面质点椭圆运动轨迹之间地差异.指出了圆环定子内圆周侧面中地部分区域具有对电机转子地推动作用.据此设计了一种可实现电机薄型化地新结构，并制作了样机，完成了电机定子性能测试和电机运行实验.运行实验结果表明，样机运转平稳，具有较大地输出转矩.实验中还发现，电机在只输入单相交变电压时仍能实现正常运转，分析了这一现象产生地机理.依据上述机理，可以设计一种新型驻波超声电机.???关键词：超声电机；椭圆运动；定子 1? 引言?????? 压电超声电机是一种有别于电磁电机地新型电机，它首先利用压电陶瓷地逆压电效应激发电机定子地超声振动，然后借助于电机定子和转子之间地摩擦耦合驱动电机转子运动.?????? 由于所利用电机定子振动模态地不同，压电超声电机在性能及结构上具有各自不同地特点.通常地环状行波压电超声电机利用圆环定子地弯曲振动模态，此类电机定、转子地接触界面为圆环平面，电机定子和转子沿轴向接触.关于此类电机地研制，已有研究者做过不少有意义地工作[1-7].文献[1]和[2]分别提出了此类电机设计和特性预估地方法.文献[3]用有限元法进行了电机定子地响应分析，研究了定子直径对定子振动地影响.文献[4]提出了一种基于定子齿三维运动地行波超声电机，并对定子齿地三维运动进行了探讨.与利用圆环定子非轴对称模态地另一类环状超声电机相比，此类行波超声电机地优势在于能输出较大地转矩，但电机厚度地减小受到电机定子和转子沿轴向接触结构地限制.本文试图在实现电机结构薄型化地同时又使电机具有较大地输出功率.为此，对电机定子质点行波状态下地运动轨迹进行了分析，提出了一种新地电机结构，实际制作了样机，并进行了定子扫频实验和样机运转实验，给出了样机定子扫频实验和样机运转实验地结果.在样机运转实验中，发现电机在只输入单相交变电压时仍能实现正常运转，本文分析了这一现象产生地机理.依据上述机理，可以设计一种新型驻波超声电机.2? 电机结构?????? 图1为本文提出地电机结构简图，其中地外圈为圆环型定子，转子安装在定子内圈.电机地转子由两块半圆柱型零件和弹簧组成，弹簧安装于两半圆柱型零件地内部，通过此弹簧产生地弹力使转子地外圆周侧面和电机定子地内圆周侧面相互接触.b5E2RGbCAP ??? 如图2所示，电机定子由环型钢片与环型压电陶瓷片粘结而成.定子地前后两面为压电陶瓷片，中间一层为环形钢片.在此钢片地内圆周侧面上均匀分布矩形小齿，钢环地内圆周面做成两端为圆台面中间为圆柱面地结构.相应地，电机转子一端也带有同样斜度地圆台面以保持与电机定子圆台面地良好接触.这时，电机定子与转子地接触面就不是单纯地柱面或圆台斜面，而是两者地组合形式.由于在这种结构中，电机定子和转子地接触不沿定子地圆环端面，而沿定子圆环地内圆周侧面，另外，电机定子与转子之间地预紧力沿定子圆环地径向施加，避免了由电机预紧机构所带来地电机厚度地增加，所以可以显著减小电机厚度.p1EanqFDPw 3? 两相电压激励时电机地工作机理?????? 以环型定子地轴线为z轴，在定子下环面建立柱坐标系.分别给压电陶瓷片施加正弦和余弦两相电压，则圆环型电机定子任一质点地运动轨迹表达式(3)为式(1)和式(2)地合成[4].式中?Jm为第m阶贝塞尔函数；m为波数；w为角频率；r为质点地极径坐标.?????? 此时在圆环型电机定子上激发出一列面外行波.但这列行波与矩形板上地行波不同.假设同样一波数为m，角频率为w地行波沿矩形板长度方向传播，则直角坐标系中矩形板上质点位移可表为下式[9]式中?x为矩形板质点在行波传播方向即板长方向上地坐标.????? 比较式(3)和式(4)可知，在任一时刻，环形定子质点地振幅除与行波传播方向即圆周方向上地坐标j有关外，还与质点所处地径向坐标r有关.并且r=0处质点地振幅为零，相同j坐标质点地振幅随极径坐标r地增大而增大.而矩形板质点地振幅则只与行波传播方向即板长方向上地坐标x有关.做出矩形板和环形定子波峰处地断面图（图3），以断面左上角A点为例，可知在所做断面上，环形定子质点地位移与矩形板质点位移相比，增加了一个径向分量sr.径向分量sr地存在使得电机定子质点地椭圆运动轨迹随之发生倾斜.DXDiTa9E3d ??? 在图3中可以看出，矩形板质点椭圆运动轨迹地两对称轴分别为质点地轴向位移szb和切向位移st，而环形定子质点椭圆运动轨迹地两对称轴则分别为质点地轴向位移s和切向位移st.当所增加地径向分