超聲波電機的工作原理

1、超聲波電機的工作原理超聲波電動機的工作原理一、逆壓電效應(yīng)簡介壓電效應(yīng)是在1880年由法國的居里兄弟首先發(fā)現(xiàn)的。一般在電場作用下，可 以引起電介質(zhì)中帶電粒子的相對運動而發(fā)生極化，但是某些電介質(zhì)晶體也可以在純 機械應(yīng)力作用下發(fā)生極化，并導(dǎo)致介質(zhì)兩端表面內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電荷，其電 荷密度與外力成正比。這種由于機械應(yīng)力的作用而使晶體發(fā)生極化的現(xiàn)象，稱為正 壓電效應(yīng)；反之，將一塊晶體置于外電場中，在電場的作用下，晶體內(nèi)部正負(fù)電荷 的重心會發(fā)生位移（這一極化位移又會導(dǎo)致晶體發(fā)生形變。這種由于外電場的作用 而使晶體發(fā)生形變的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)，也稱為電致伸縮效應(yīng)。正壓電效應(yīng)和 逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)

2、。超聲波電動機就是利用逆壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的，圖9 2所示為逆壓電效應(yīng)示意圖，進(jìn)一步說明了逆 壓電效應(yīng)的作用。壓電體的極化方向如圖 9-2中箭頭所示（當(dāng)即在壓電體表面形成上正、下負(fù)的電場時，壓電體在長度方向便會伸張；反 之，若在壓電體上、下表面施加反向電場（則壓電體在長度方向就會收縮。當(dāng)對壓 電體施加交變電場時，在壓電體中就會激發(fā)出某種模態(tài)的彈性振動。當(dāng)外電場的交變頻率與壓電體的機械諧振頻率一致時，壓電體就進(jìn)入機械諧振狀態(tài)。成為壓電振 子。當(dāng)振動頻率在20kHz以上時，就屬于超聲振動。二、橢圓運動及其作用超聲振動是超聲波電動機工作的最基本條件，起驅(qū)動源的作用。但是 （并不是 任意超聲振動都具有驅(qū)

3、動作用，它必須具備一定的形態(tài) （即振動位移的軌跡是一橢 圓時，才具有連續(xù)的定向驅(qū)動作用。圖9-3所示質(zhì)點的橢圓運動示意圖，設(shè)定子（振子）在靜止?fàn)顟B(tài)下與轉(zhuǎn)子表面有 一微小間隙（當(dāng)定子產(chǎn)生超聲振動時，其上的接觸摩擦點（質(zhì)點）A做周期運動（軌跡 為一橢圓。當(dāng)A點運動到橢圓的上半圓時，將與轉(zhuǎn)子表面接觸 （并通過摩擦作用撥 動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；當(dāng)A點運動到橢圓的下半圓時，將與轉(zhuǎn)子表面脫離，并反向回程。如 果這種橢圓運動連續(xù)不斷地進(jìn)行下去（則對轉(zhuǎn)子具有連續(xù)的定向撥動作用。從而使 轉(zhuǎn)子連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。因此，超聲波電動機定子的任務(wù)就是采用合理的結(jié)構(gòu)，通過 各種振動的組合來形成橢圓運動。那么，怎樣才能形成橢圓運動呢？設(shè)

4、有兩個空間相互垂直的振動位移 ux和uy, 均是由簡諧振動形成，振動角頻率為 CD0,振幅分別為Ex和時間相位差為 也即有% .就由皿1 + oJ從中消去時間t,則有聞 Ij pi 屯.-h - - - T - fin e%? i 式（9-2）中，當(dāng)巾=nTt（n=0,?l , ?2（）時，兩個位移為同向運動，合成軌跡為一條直線；當(dāng)?n tt時，其軌跡為一橢圓，并且在 巾=門冗？冗,2時為一規(guī)則 橢圓。不同相位差時的橢圓形態(tài)如圖9 -4所示。由此可見，相位差 少的取值就決定了橢圓運動的旋轉(zhuǎn)方向（當(dāng)巾0時（橢圓運動為順時針方向，當(dāng) 巾0時，橢圓運動為逆時針方向。由于橢圓運動的旋轉(zhuǎn)方向決定了定子對

5、轉(zhuǎn)子的撥動方向，因此也就決定了超聲波電動機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向。三、行波的形成及特點上面討論的是一個質(zhì)點橢圓運動的作用。單靠一個質(zhì)點的橢圓運動還不足以推動轉(zhuǎn)子并驅(qū)動一定的負(fù)載，而應(yīng)該依靠一系列質(zhì)點的連續(xù)橢圓運動來推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，也就是說這些質(zhì)點需要進(jìn)行行波畦質(zhì)的運動。根據(jù)波動學(xué)理論，兩路幅值相等、頻率相同、時間和空問均相差 九,2的兩相駐波疊加后（將形成一個合成行波。如圖9 5（a）所示，將極化方向相反的壓電體依次粘結(jié)在彈性體上 （當(dāng)在壓電體極化方向施加交變電壓時，壓電體在長度方向?qū)a(chǎn)生交替伸縮形變，在一定的激振電壓頻率。下，彈性體上將產(chǎn)生如圖9-5（b）所示的駐波（其數(shù)學(xué)表達(dá)式為y=小由學(xué)rdw/19

6、- 3）式中：X為橫向坐標(biāo)；y為縱向坐標(biāo)；己為駐波波幅：入為駐波波長。設(shè)在彈性體上同時存在兩相駐波 A和B,它們的頻率同為 0（波幅同為己（波 長同為人并且在時間和3% =裊山多* 一 , 0_i*k = fcos -1 rcostt f空間上均相差九,2 ,即其合成為這是一個頻率為0、波幅為八波長為人的行波在環(huán)形行波型超聲波電動機中，定子上的壓電陶瓷環(huán)是行波形成的核心，它的 電極配置如圖96所示，其中。，”、表示極化方向。壓電陶瓷片按照一定規(guī) 律分割極化后分為A、B兩相區(qū)，兩相空間排列相差 九,2（1,4波長），并且分別施 加在時間上也相差 九,2的高頻交流電（E1和E2）A、B兩相分別在彈

7、性體上激起駐 波。兩相駐波疊加后，將形成一個沿定子圓周方向的合成行波，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。壓電陶瓷片的厚度決定了在一定電壓下是否能夠起振，如果壓電陶瓷片太厚（大于1（5mm）,則在通常情況下不易起振；如果壓電陶瓷片太?。ㄐ∮贠（3mm）則在 高頻諧振條件下，由于形變過大而容易發(fā)生斷裂，并且加工難度也會增大。另外， 壓電陶瓷片的厚度對壓電振子的固有諧振頻率影響較大，通常取其厚度為0（5,0（8mm。由上可見（由兩個駐波疊加而形成行波，這在機理上與電機學(xué)中的旋轉(zhuǎn)磁場理 論有諸多相似之處。由本書第四章知道，當(dāng)在單相繞組中通人單相交流電流時產(chǎn)生 的是脈振磁場，如果有兩個匝數(shù)相同、空間互差 90?電角度的繞組

8、，當(dāng)在其中通人 幅值相等、時間相位互差90?的對稱交流電流時，所產(chǎn)生的兩個脈振磁場的合成就是一個圓形的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)向取決于電流的相序。在這里（彈性體中 的駐波與單相脈振磁場相對應(yīng)（而合成行波與旋轉(zhuǎn)磁場相對應(yīng)。將超聲波電動機的行波與交流電機的旋轉(zhuǎn)磁場聯(lián)系起來，有助于對行波型超聲波電動機工作原理的理四、轉(zhuǎn)子運動速度卜面通過分析彈性體表面上任意一點的運動軌跡，來確定轉(zhuǎn)子運動的速度根據(jù)式(9-5),在任意時刻f,彈性體表面上某點P的縱向振動位移為設(shè)彈性體的厚度為H,則P點的橫向振動位移為由式(9 6)和式(9 7),得由此可見，彈性體表面上任意一點的運動軌跡為橢圓形，這種橢圓運動使得彈性體表

9、面質(zhì)點對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生連續(xù)的定向撥動作用(且轉(zhuǎn)子的運動方向與行波方向相反，如圖9-7所小(圖97中小箭頭表小彈性體表面質(zhì)點的瞬時速度)o顯然，如 果改變激振電源的電壓極性，便可以改變轉(zhuǎn)子的運動方向。期kI鼻性俾麗的人薇根據(jù)式(9 7),彈性體表面質(zhì)點的橫向運動速度為橫向速度的最大值應(yīng)出現(xiàn)在行波的波峰或波谷處。此時的表面質(zhì)點沒有縱向速 度，耳(橫向速度與行波方向相反(見圖9-7)。若定、轉(zhuǎn)子接觸面之間沒有滑動, 則轉(zhuǎn)子的運動速度與波峰處質(zhì)點的橫向速度相等，其值為式中：負(fù)號表示轉(zhuǎn)子的運動方向與行波方向相反。實際上，定、轉(zhuǎn)子接觸面之間的滑動是難免的，因此超聲波電動機轉(zhuǎn)子的實際 運動速度總是低于式（9-10）的值。設(shè)行波在定子彈性體中的傳播速度為u由行波的基本特性可知八甲t力曲癡電節(jié)的傅中.，一：這樣，轉(zhuǎn)子運動速度又可寫為可見，在行波傳播速度U為恒值的情況下，改變激振電壓的頻率 f0可以快速 改變轉(zhuǎn)速但存在一定的非線性。而改變激振電壓的大小，即改變行波的振幅己，也可以改變轉(zhuǎn)速。如果忽略壓電體逆壓電效應(yīng)的非線性，則轉(zhuǎn)速可以隨激振電壓做 線性變化，這就是超聲波電動機變壓調(diào)速的特點。五、工作特性般而力，超聲波電動機的工作特性與電磁式直流伺服電動