圆板型行波超声波马达的建模与仿真

　　1　引言

　　与电磁马达相比,超声波马达有很多突出的优点,如低速下的大扭矩,良好的控制性能,响应速度快、上升时间短、噪声小、小型量轻、无电磁干扰等。由于这些优点,超声马达引起了世界各国学者的普遍关注,并从80年代以后获得了迅速的发展。

　　超声马达结构的灵活性为其设计提供了优势。目前在工业的各个领域,为适应不同的使用场合及使用要求,开发了多种相应的超声马达,它们各有不同的特性。大致归纳起来,可有以下几种分类方式:按运动方式分,有直线型和回转型两种;按定子表面椭圆运动的激发形式划分,有单振动模式和复合振动模式。其中,单振动模式又有驻波和行波型两种。复合振动模式是近年来研究的重点,在这一方面现已有相当多的资料,此类马达所采取的形式与结构多种多样,其差别也很大。椭圆运动的不同实现方式是造成马达结构多样性的关键原因,这一步的实现也是马达结构设计及优化中至关重要的一步[1～3]。

　　就目前已开发出的超声波马达而言,它们的结构虽然各不相同,区别很大,但其原理是大同小异,即利用压电陶瓷的逆压电效应,使处于谐振状态的马达定子表面质点产生微观椭圆运动,从而驱动转子或移动体运动。本文针对圆板型行波超声马达的原理及其建模加以讨论。

　　2　圆板型行波超声马达的驱动原理

　　对行波型马达的研究与开发较早[4,5],行波马达具有方向可变、驱动连续、磨损均匀、速度与位置易于控制等优点。

　　行波是由两列驻波叠加而成的,激发两列驻波的电极分布互为K/2,将相差90°的高频交流信号分别加在电极上,由于满足了时间与机械上相互位移P/2的条件,压电陶瓷内便激发出了行波。产生于陶瓷内的弯曲行波有纵波与横波的双重特性,表面质点的轨迹为椭圆,质点位移分别平行和垂直于行波传播方向。其中,横向位移的产生是由于质点偏离中性层导致的。椭圆轨迹的形成通过仿真可以非常直观地显示出来。如图1所示,横向位移的存在使移动体(或转子)在振动体(或定子)上做与行波行进方向相反的运动,而运动的传递是由定子、转子间的摩擦力实现的。由图可以看出,定子、转子在行波的每一个波峰处接触,随着波的传播,接触点也在不断变化,因此马达的磨损是均匀的。很显然,通过改变行波的传播方向,就可以实现马达的反向运转。

　　3　利用有限元方法进行超声马达的建模与仿真

　　超声马达设计涉及的理论基础和应用技术范围较宽,在具体的设计过程中,影响因素较为复杂。就根本而言,超声马达至今尚处于开发研制阶段,如超声马达驱动的理论模型这一概念就非常模糊。在此之前这方面也曾作过大量的分析及实验,但其结论不是局限性太大,就是可靠性不高。又如从定子表面质点的振动到摩擦驱动的各种传递方式,以前常以椭圆运动理论加上常规摩擦理论进行解释,而实际的摩擦界面上质点运动很复杂。上述理论未经实验验证,而且也不能解释实际中出现的其他一些很奇特的现象[6]。