超聲電動機模型分析的研究
胡敏強1，顧菊平1，2，莫岳平1，金 龍1，王心堅1，徐志科1，石 斌1
(1．東南大學(xué)，江蘇南京21009612．南通工學(xué)院．江蘇南通226007)
擒要：針對超聲電動模型，第一次對其分析方法進行了對比分析．綜合析法、有限元法和致電路法的特點．建立了一套行之有效的行渡超聲電動機分析方法．并成功設(shè)計了專和產(chǎn)晶——均壓型行波趕聲電動機及其驅(qū)動控翻囂．該方法為翹聲電動機的驅(qū)動控翻簟略和控翻方法的實現(xiàn)羹定了理論基磚．為樣機設(shè)計提供了際經(jīng)鹼．對我國翹聲電動機產(chǎn)業(yè)化及其原材科的一產(chǎn)化作了有效攝索．
關(guān)鍵詞：超聲電動機； 模型分析；等效電路法：FEA
中圖分類號：TM38l 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：11001—6848(2002)01—0006--O5
1 引 言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備、精密儀器、光學(xué)系統(tǒng)以及各種工廠、辦公自動化設(shè)備要求小型化、精密化、環(huán)�；�，對散電機伺服控鍘系統(tǒng)提出了越來越高的性能指標(biāo)要求(如：低速大轉(zhuǎn)矩、快速精密定位、良好的電磁兼容、低噪聲甚至靜音設(shè)計等)．傳統(tǒng)驅(qū)動控制系統(tǒng)主要依靠伺服電機驅(qū)動．如要獲得定位控制系統(tǒng)所要求的低速大轉(zhuǎn)炬，就必須使用壤遺傳動機構(gòu)．這不僅增加了機械部件的復(fù)雜性和系統(tǒng)體積、重量．而且減速齒輪對驅(qū)動系統(tǒng)的反沖效應(yīng)、對進繪量的放大效應(yīng)等邦嚴(yán)重影響系統(tǒng)的其它性能．嚴(yán)重阻礙了系統(tǒng)中控制的快速性和精性[1]．多年來．為解決這一“瓶頸”．科技界和工業(yè)界就一直致力于尋求各種更為適宜的直接驅(qū)動方式，以滿足各種裝置小型化和精密化的要求，超聲電動機恰好彌補傳統(tǒng)電磁式電機在驅(qū)動控鑭系統(tǒng)應(yīng)用中的不足．
超聲電動機(Ultrasonic Motors，簡稱USM)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種直接驅(qū)動電機．由于其性能****，應(yīng)用前景廣泛．備受人們重視，它已成為當(dāng)前機電控制領(lǐng)域的一個研究熱點，并列人國家“十五”規(guī)劃，長期以來，超聲電動機及其驅(qū)動控器的研究大多通過實驗．耍獲得****樣機設(shè)計和****工作特性，需要消耗大量時問和資源．這導(dǎo)致超聲電動機不僅性價比不高．控制手段與控制策略單一．而且國內(nèi)原材料及加工工藝不能配套，都直接影響超聲電動機的應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化進程．因而尋求更有效的USM分析手段和設(shè)計方法一直是超聲電動機領(lǐng)域研究的重點．
實用的定性、定量分析有解析法(能量法)、有限元法、等效電路法．作者在超聲電動機的研究開發(fā)中，針對各種方法的優(yōu)缺點，揚長避短，摸索了一套行之有效的分析方法：首先利用解析法．即基予HamiIton能量原理對定子進行效學(xué)建模．導(dǎo)出整個電動機的運動分析梗珊，再用有限元方法對定子撮動模態(tài)進行精確的分析與計算．井分析電動機幾何尺寸、粘按層對振動性能的影響，最后用等效電路法來進行超聲電動機驅(qū)動控制電路的設(shè)計與制作．設(shè)計的定子直徑為lOOmm(國內(nèi)****)的均壓型行波超聲電動機獲得國家專利，該電動機的原材料全部國產(chǎn)化．通過外協(xié)的配合．作者解決了原材料加工困難及工藝要求精密等同題．實驗結(jié)果表明．這種綜合方法是實用有效的．為超聲電動機及其驅(qū)動控制技術(shù)的研究提供了寶貴的經(jīng)驗．為超聲電動機的產(chǎn)業(yè)化及國內(nèi)原材科基礎(chǔ)工業(yè)及工藝的發(fā)展提供了理論分析方法和實用分析手段．
2解析法
2．1辯析法在趨聲電動機中的應(yīng)用
旋轉(zhuǎn)塑、直線型超聲電動機的動態(tài)設(shè)計已成為世界范圈內(nèi)的一個重要研究課題。為實現(xiàn)超聲電動機的綜合設(shè)計，需要一個能夠反映驅(qū)動機理的解析公式．用于分析各種材料特性和結(jié)構(gòu)尺寸對電動機性能的影響．為電動機的優(yōu)化設(shè)計提供工具．Hagedorn論證了定子自由振動的簡單模型；Maeno使用解析模型和有隈元相結(jié)合的方法研究了電動機接觸機理和相互作用，Zharii研究了USM定轉(zhuǎn)子問的光滑接觸和粘附接觸，并導(dǎo)出了相關(guān)應(yīng)力、位移及速度的分布研究了環(huán)形壓電定子的動力學(xué)問題; WaIlaschek討論了USM中不同接觸模型;Hag00d提出了一個普遍的壓電旋轉(zhuǎn)電動機的舸析公式，為分析目前大部分USM提供解析分析的框架;Mass建立了能夠用于控制的解析模型。
2．2超聲電動機梗型的描述和組成Ⅲ
USM的運行特性取決于定子振動的形狀、頻率和幅值，接觸層的尉度、阻尼、摩擦特性，轉(zhuǎn)子的黍性．垂直預(yù)壓力．定轉(zhuǎn)子的靜態(tài)彎曲等渚多因素。很難建立一個普遍的模型包含以上所有因素，因而，往往針對特定的應(yīng)用和研究需要建立面向特定問題的筷墨。通常的分析步驟為：首先根據(jù)定子搬動結(jié)構(gòu)， |
