超声波电机的工作原理文档格式.docx
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超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的,图92所示为逆压电效应示意图,进一步说明了逆
压电效应的作用。
压电体的极化方向如图9-2中箭头所示.当在压电体的上、下外表施加正向电压.
即在压电体外表形成上正、下负的电场时,压电体在长度方向便会伸张;
反之,假设在压电体上、下外表施加反向电场.那么压电体在长度方向就会收缩。
当对压电体施加交变电场时,在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。
当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时,压电体就进入机械谐振状态。
成为压电振子。
当振动频率在20kHz以上时,就属于超声振动。
二、椭圆运动及其作用超声振动是超声波电动机工作的最根本条件,起驱动源的作用。
但是.并不是任意超声振动都具有驱动作用,它必须具备一定的形态.即振动位移的轨迹是一椭圆时,才具有连续的定向驱动作用。
图9-3所示质点的椭圆运动示意图,设定子〔振子〕在静止状态下与转子外表有一微小间隙.当定子产生超声振动时,其上的接触摩擦点〔质点〕A做周期运动•轨迹为一椭圆。
当A点运动到椭圆的上半圆时,
将与转子外表接触.并通过摩擦作用拨动转子旋转;
当A点运动到椭圆的下半圆时,将与转子外表脱离,并反向回程。
如果这种椭圆运动连续不断地进行下去•那么对转子具有连续的定向拨动作用。
从而使转子连续不断地旋转。
因此,超声波电动机定子的任务就是采用合理的结构,通过各种振动的组合来形成椭圆运动。
那么,怎样才能形成椭圆运动呢?
设有两个空间相互垂直的振动位移ux和uy,均是由简谐振动形成,振动角频率为30,振幅分别为Ex和Ey,时间相位差为书即有
从中消去时间t,那么有
式(9-2)中,当书=nn(n=0,±
l±
2.…)时,两个位移为同向运动,合成轨迹
为一条直线;
当书工nn时,其轨迹为一椭圆,并且在pnn土n/2时为一规那么椭圆。
不同相位差时的椭圆形态如图9-4所示。
由此可见,相位差书的取值就决定了椭圆运动的旋转方向.当书>0时.椭圆运动为顺时针方向,当书<0
时,椭圆运动为逆时针方向。
由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向,因此也就决定了超声波电动机的转子转向。
三、行波的形成及特点
上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。
单靠一个质点的椭圆运动还缺乏以推动转子并驱动一定的负载,而应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转,也就是说这些质点需要进行行波眭质的运动。
根据波动学理论,两路幅值相等、频率相同、时间和空问均相差n/2的两相驻波叠加后•将形成一个合成
行波。
如图95(a)所示,将极化方向相反的压电体依次粘结在弹性体上.当在压电体极化方向施加交变电压
时,压电体在长度方向将产生交替伸缩形变,在一定的激振电压频率30下,弹性体上将产生如图9-5(b)
所示的驻波.其数学表达式为
式中:
x为横向坐标;
y为纵向坐标;
E为驻波波幅:
入为驻波波长
空间上均相差n/2,即
其合成为
这是一个频率为30波幅为E、波长为入的行波。
在环形行波型超声波电动机中,定子上的压电陶瓷环是行波形成的核心,它的电极配置如图9—6所示,其中。
+〞、-〞表示极化方向。
压电陶瓷片按照一定规律分割极化后分为A、B两相区,两相空间排列相
差n/2〔1/4波长〕,并且分别施加在时间上也相差n/2的高频交流电〔E1和E2〕A、B两相分别在弹性
体上激起驻波。
两相驻波叠加后,将形成一个沿定子圆周方向的合成行波,推动转子旋转。
压电陶瓷片的厚度决定了在一定电压下是否能够起振,如果压电陶瓷片太厚〔大于1.5mm〕,那么在通
常情况下不易起振;
如果压电陶瓷片太薄〔小于O.3mm〕,那么在高频谐振条件下,由于形变过大而容易发
生断裂,并且加工难度也会增大。
另外,压电陶瓷片的厚度对压电振子的固有谐振频率
影响较大,通常取其厚度为0.5〜0.8mm。
由上可见.由两个驻波叠加而形成行波,这在机理上与电机学中的旋转磁场理论有诸多相似之处。
由本书第四章知道,当在单相绕组中通人单相交流电流时产生的是脉振磁场,如果有两个匝数相同、空间互差90°
电角度的绕组,当在其中通人幅值相等、时间相位互差90°
的对称交流电流时,所产生的两个脉振磁场的合成就是一个圆形的旋转磁场,旋转磁场的转向取决于电流的相序。
在这里.弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应.而合成行波与旋转磁场相对应。
将超声波电动机的行波与交流电机的旋转磁场联系起来,有助于对行波型超声波电动机工作原理的理解。
四、转子运动速度
下面通过分析弹性体外表上任意一点的运动轨迹,来确定转子运动的速度。
根据式〔9-5〕,在任意时刻f,弹性体外表上某点P的纵向振动位移为
设弹性体的厚度为H,那么P点的横向振动位移为
由式(96)和式(9—7),得
由此可见,弹性体外表上任意一点的运动轨迹为椭圆形,这种椭圆运动使得弹性体外表质点对转子产生连续的定向拨动作用.且转子的运动方向与行波方向相反,如图9-7所示(图9—7中小箭头表示弹性体表面质点的瞬时速度)。
显然,如果改变激振电源的电压极性,便可以改变转子的运动方向。
根据式(97),弹性体外表质点的横向运动速度为
横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处。
此时的外表质点没有纵向速度,耳.横向速度与行波方
向相反(见图9-7)。
假设定、转子接触面之间没有滑动,那么转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等,
其值为
负号表示转子的运动方向与行波方向相反。
实际上,定、转子接触面之间的滑动是难免的,因此超声波电动机转子的实际运动速度总是低于式(9-10)的值。
这样,转子运动速度又可写为
可见,在行波传播速度U为恒值的情况下,改变激振电压的频率fO可以快速改变转速但存在一定的非
线性。
而改变激振电压的大小,即改变行波的振幅E,也可以改变转速。
如果忽略压电体逆压电效应的非
线性,那么转速可以随激振电压做线性变化,这就是超声波电动机变压调速的特点。
五、工作特性一般而言,超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似,电动机的转速随着转矩的增大而下降,并且呈现一定的非线性。
而超声波电动机的效率那么与电磁式电机不同,最大效率出现在低速、大转矩区域,图9-8所示为超声波电动机的工作特性。
因此,超声波电动机非常适合低速运行。
总体而言,超声波电动机的效率较低.这是它的一个缺点。
目前环形行波型超声波电动机的效率一般不超过50%。
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- 超声波 电机 工作 原理
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