行波型與復合型超聲波電機的比較
趙衡兵，郭吉豐，陳永校
(浙江大學電機工程學系，浙江杭州 310027)
摘 要：介紹了行波型和復合型超聲波旋轉電機的結構和運行原理，從其產生旋轉運動的饑理出發，分折了各自所利用的模態及驅動接觸面的情況，設計思路和控制方法上的異同。
關鍵詞：行波型超聲波電．機；駐波型超聲波電．機：復合型超聲波電．機
l 引 言
微型機械是近幾年發展起來的一個嶄新的研究領域，作為世界矚目的重大研究方向，現已經受到世界上各發達國家的普遍重視和深入研究，而且對作為微型機械的核心——微電機也提出了越來越高的要求。超聲波電機作為微特電機的一種，具有結構簡單、響應速度快、斷電自保持、能獲得低速大轉矩、可用于直接驅動等特點，在航空航天、微型機械、機器人、自動控制等領域有著廣泛的應用前景。
超聲旋轉電機是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應，把電能直接轉換成超聲頻域內的振動，通過摩擦驅動與其接觸的轉子運動。其基本原理是利用壓電陶瓷材料激發出定子表面質點的橢圓運動軌跡，根據其激發橢圓運動的方式不同，可分為行波型和駐波型兩種。
目前所見旋轉超聲波電機的文章多為行波型的，相對來說行波型超聲波電饑的研究日趨完善，在日本已實現批量化生產，但從提高電機的力能指標來看，復合型超聲波電饑更具有優勢。
2行波型和復合型超聲波電機的結構
行波型超聲波電機的常見結構如圖1所示，由壓電陶瓷片、帶齒的定子彈性體、摩擦材料、轉于等組成，轉子以一定的壓力與定子接觸，定子彈性體上的齒起振幅放大作用。“+”“-”代表壓電片的極化方向相反，兩組壓電片空問相差λ／4．棚當于π/2．分別通以同頻、等幅、相位相差π/2的超聲頻域的交流信號。
復合型超聲波電機的結構形式較多，有的采用模態變換振子，如斜槽形式，三腳梁形式；有的采用縱扭振子復合，本文針對正反轉特性一致的縱扭復合型超聲波電機給予介紹，其常見結構如圖2所示，縱扭復合型超聲波電機主要m夾心式定于和轉子組成，縱、扭壓電振子夾在彈性體之間構成定子，轉子通過一碟簧以一定的壓力與定子接觸，轉子與定子接觸的端面上涂敷有一層摩擦材料，以增大摩擦系數及減小定轉子問的磨損。縱振子由兩片厚度方向極化的陶瓷環組成，扭轉振子由多片切向極化的扇形片組成，圖中箭頭所示方向為壓電陶瓷的極化方向。縱扭振子分別通以同頻、有一定相位差的交流信號。
3行波型和復合型超聲波電機的運行原理
行波型和復合型超聲波電機都是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，激發出定子彈性體表面質點的橢圓振動，通過摩擦力驅動以一定壓力與其接觸的轉子作旋轉運動，但兩者激發定子表面質點橢圓運動的方式不同。
行波型超聲波電機是利用時間相位差π／2的兩組交流信號分別作用在空問相位差為π／2的兩組壓電片上，兩組信號頻率、幅值相同，分別在定子中激發出兩組空間和時問上相位相差π／2的駐波
兩駐波合成一行波：
y=yl+y2=Asin(x+ωt) (3)
由角尺傳動原理可得齒頂切向的位移為：
式中 h——齒頂到彈性環中性面的距離定子齒頂部質點的運動軌跡為一橢圓：
縱一扭復合型超聲波電機由兩個振子：一個縱振子和一個扭轉振子激勵，縱振子產生軸向振動，由控制定子和轉子問的摩擦力，轉扭振子產生扭轉振動，用以驅動轉子輸出力矩。其中兩振子的驅動電壓頻率相同。假設在縱、扭振子激勵下，定子表面質點沿軸向和切向分別作簡諧振動，且相位差為π／2，其位移分別為：
則定子表面質點的合成運動方程為：
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