三相驱动的平板弯曲行波超声马达研究

　　随着高性能特种材料的出现以及微电子集成技术、微加工技术、微装配技术的发展,同时适应办公自动化、精密机械、医疗器械、航天器械等对机电产品小型化、轻量化的需求,马达的小型化便成为一定的先决条件.因此,微型马达的发展已成为驱动器发展领域中的一个重要研究方向.早在1942年,这一驱动原理就被美国的Williams和Brown提出[1],随后又有多个模型问世.但超声马达真正实用化研究开始于20世纪80年代初,并以日本指田年生研制成功的环形行波超声马达为标志[2].1987年,Canon公司将其应用到照相机的自动调焦装置,走出了商业化应用的第一步.清华大学日前研制成功直径1mm,长4mm的圆柱体状超声波微型马达,则成为世界最“细”的马达.

　　超声马达不同于传统电磁型马达的结构,它没有电磁绕组和磁路,不以电磁的相互作用传递能量,而是利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转换成超声波范围内的机械振动获得驱动力,通过摩擦耦合将驱动力转换成转子或滑块的运动.与传统的电磁马达相比,超声马达具有结构简单、单位体积转矩大、响应性能优良、无源自锁、无电磁干扰、控制精度高等优点.微型压电超声马达的开发是当前超声马达发展的一个方向.

　　目前压电超声马达的研究主要应解决三方面的问题[3,4]:机械构成及其运动学与动力学问题;压电体开发及其适用性问题;专用信号装置的轻小化问题.这是一个集机械学、电子学、材料学等多学科交叉的研究领域.其中运动学与动力学是压电超声马达最基本、最重要的问题.本文借鉴传统马达的多磁极配置关系,用三相激励分析超声马达的运动学问题.由于两者驱动形式有一定相似性,因此其结论对研究超声马达有一定参考价值.

　　1 超声马达驱动原理

　　超声振动与接触摩擦是压电超声马达的两个基本条件,其中超声振动起着驱动源的作用,但并不是任意的超声振动都有驱动作用,它需要具备一定的形态,即当振动位移的轨迹为一椭圆运动时才具有定向连续的驱动功能.如图1所示,当定子产生力F及位移L,并从侧向作用到转子上时,就会使其旋转.定子在振动时,其上的质点作周期性椭圆运动.在椭圆的上半圈,定子与转子接触并拨动转子旋转,下半圈时将与转子脱离并反向回程.这种椭圆运动连续不断进行下去,对转子具有定向连续的拨动用,从而使转子连续旋转.对于平板弯曲振动,椭圆运动的形成基础是要得到行波波动[5].

　　2 弯曲振动行波的生成

　　行波马达是开发较早、性能较好的一类马达.它是依赖于定子产生的弯曲振动行波推动转子旋转的.其中,振子上的弯曲振动行波需要两点以上的强制激励才能产生[6,7].关于两点激励,文献[8]已有论述,本文讨论三点激励的情况.如图2所示,在一个弹性体板上贴置三块压电陶瓷,当压电陶瓷上接入电信号时,会激发弹性体板产生三个弯曲振动波1,2和3.设1为前进波,2为倒退波,3为前进波,则由三个振动波在任意点产生的弯曲振动位移分别为