環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)制作過程中的幾點(diǎn)分析
王志良1，孫思先1，顧 新1，范國偉2
（1．北京科技大學(xué)，北京100083；2．華東冶金學(xué)院，安徽馬鞍山 243002）
摘要：分析了環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)制作中的定轉(zhuǎn)子接觸過程、壓電陶瓷片的振幅與驅(qū)動(dòng)源的關(guān)系、復(fù)合梁中性面的位置以及定子開槽對齒端面與中性面距離的影響等，并給出了相應(yīng)的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：超聲波電動(dòng)機(jī)電機(jī)制造；理論分析
中圖分類號：tm301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)01-0014-03
1 引 言
超聲波電動(dòng)機(jī)是近年出現(xiàn)的一種新型微特電機(jī)，它的生產(chǎn)制作及理論基礎(chǔ)都還處于初始階段。本文從環(huán)形超聲波電動(dòng)機(jī)制作過程出發(fā)，分析定轉(zhuǎn)子接觸、壓電陶瓷片的振幅與驅(qū)動(dòng)源的關(guān)系、復(fù)合梁中性面的位置以及定子開槽對齒端面與中性面距離的影響等，并給出了相應(yīng)的結(jié)論。
2 幾點(diǎn)分析
2.1定轉(zhuǎn)子接觸過程
假設(shè)定、轉(zhuǎn)子齒端質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)，齒端面和摩擦材料接觸無滑動(dòng)，則可以得到圖1所示的超聲波電機(jī)定轉(zhuǎn)子等效接觸圖。定轉(zhuǎn)子以角θ1相接觸，以角θ2相脫離，接觸過程角φ=θ1-θ2以圖1中的o點(diǎn)為原點(diǎn)，則橢圓方程如下：
則移動(dòng)體受到的水平推為為：
由式(2)可知，在一定范圍內(nèi)，移動(dòng)體所受的推力隨著接觸角的增大而減小。
接觸角對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的影響，由圖1和式(1)可得，a點(diǎn)到b點(diǎn)的水平位移（工軸向），而a點(diǎn)到b點(diǎn)所需的時(shí)間為t，t為橢圓的旋轉(zhuǎn)周期，也是驅(qū)動(dòng)電壓的周期。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速可表示如下：
當(dāng)θ=π/2時(shí)，由方程(1)可得：
由式(2)、(3)、(4)可以得出電機(jī)的水平推力、轉(zhuǎn)速與接觸角的關(guān)系曲線，如圖2所示。
由圖2可知，電機(jī)的水平推力隨接觸角的增大而減小，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨接觸角的增大而增大。在外部條件確定后，總是希望電機(jī)有較大的輸出功率。功率p=f．v，由圖2可知，f、y隨θ的變化是反方向的。所以，要取得****的功率輸出，必須選擇好合適的接觸角。由式(2)和(3)可得：
由式(5)可得到p隨口的變化曲線，如圖3所示
2. 2壓電陶瓷片的振幅與驅(qū)動(dòng)電源的關(guān)系
當(dāng)強(qiáng)迫振動(dòng)的電源頻率等于振動(dòng)體的固有頻率時(shí)，則發(fā)生諧振。此時(shí)振動(dòng)體的振幅****。圖4所示為壓電陶瓷片的振幅與頻卒的關(guān)系曲線。
由圖4可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)頻率接近壓電陶瓷的固有頻率時(shí)，振動(dòng)幅值急劇增加，而電機(jī)的輸出功率正比于壓電陶瓷片振幅的平方。因此，使驅(qū)動(dòng)頻率等于超聲波電機(jī)的固有頻率是設(shè)計(jì)和調(diào)試電機(jī)過程中最基本的一點(diǎn)。
從電氣原理上對諧振進(jìn)一步進(jìn)行分析，交流驅(qū)動(dòng)電壓施加在壓電片上，由于逆壓電效應(yīng)使壓電片產(chǎn)生應(yīng)變，激發(fā)起振子的機(jī)械振動(dòng)；振子的機(jī)械振動(dòng)又通過正壓電效應(yīng)產(chǎn)生電流，并反饋回電源。驅(qū)動(dòng)電流和反饋電流之間存在著一定的電角度， |
