超聲電動(dòng)機(jī)模型分析的研究
胡敏強(qiáng)1，顧菊平1，2，莫岳平1，金 龍1，王心堅(jiān)1，徐志科1，石 斌1
(1．東南大學(xué)，江蘇南京21009612．南通工學(xué)院．江蘇南通226007)
擒要：針對(duì)超聲電動(dòng)模型，第一次對(duì)其分析方法進(jìn)行了對(duì)比分析．綜合析法、有限元法和致電路法的特點(diǎn)．建立了一套行之有效的行渡超聲電動(dòng)機(jī)分析方法．并成功設(shè)計(jì)了專和產(chǎn)晶——均壓型行波趕聲電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控翻囂．該方法為翹聲電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控翻簟略和控翻方法的實(shí)現(xiàn)羹定了理論基磚．為樣機(jī)設(shè)計(jì)提供了際經(jīng)鹼．對(duì)我國(guó)翹聲電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)化及其原材科的一產(chǎn)化作了有效攝索．
關(guān)鍵詞：超聲電動(dòng)機(jī)； 模型分析；等效電路法：FEA
中圖分類號(hào)：TM38l 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：11001—6848(2002)01—0006--O5
1 引 言
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備、精密儀器、光學(xué)系統(tǒng)以及各種工廠、辦公自動(dòng)化設(shè)備要求小型化、精密化、環(huán)�；�，對(duì)散電機(jī)伺服控鍘系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的性能指標(biāo)要求(如：低速大轉(zhuǎn)矩、快速精密定位、良好的電磁兼容、低噪聲甚至靜音設(shè)計(jì)等)．傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)主要依靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)．如要獲得定位控制系統(tǒng)所要求的低速大轉(zhuǎn)炬，就必須使用壤遺傳動(dòng)機(jī)構(gòu)．這不僅增加了機(jī)械部件的復(fù)雜性和系統(tǒng)體積、重量．而且減速齒輪對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的反沖效應(yīng)、對(duì)進(jìn)繪量的放大效應(yīng)等邦嚴(yán)重影響系統(tǒng)的其它性能．嚴(yán)重阻礙了系統(tǒng)中控制的快速性和精性[1]．多年來(lái)．為解決這一“瓶頸”．科技界和工業(yè)界就一直致力于尋求各種更為適宜的直接驅(qū)動(dòng)方式，以滿足各種裝置小型化和精密化的要求，超聲電動(dòng)機(jī)恰好彌補(bǔ)傳統(tǒng)電磁式電機(jī)在驅(qū)動(dòng)控鑭系統(tǒng)應(yīng)用中的不足．
超聲電動(dòng)機(jī)(Ultrasonic Motors，簡(jiǎn)稱USM)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)．由于其性能****，應(yīng)用前景廣泛．備受人們重視，它已成為當(dāng)前機(jī)電控制領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并列人國(guó)家“十五”規(guī)劃，長(zhǎng)期以來(lái)，超聲電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控器的研究大多通過(guò)實(shí)驗(yàn)．耍獲得****樣機(jī)設(shè)計(jì)和****工作特性，需要消耗大量時(shí)問(wèn)和資源．這導(dǎo)致超聲電動(dòng)機(jī)不僅性價(jià)比不高．控制手段與控制策略單一．而且國(guó)內(nèi)原材料及加工工藝不能配套，都直接影響超聲電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用研究和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程．因而尋求更有效的USM分析手段和設(shè)計(jì)方法一直是超聲電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)．
實(shí)用的定性、定量分析有解析法(能量法)、有限元法、等效電路法．作者在超聲電動(dòng)機(jī)的研究開(kāi)發(fā)中，針對(duì)各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，摸索了一套行之有效的分析方法：首先利用解析法．即基予HamiIton能量原理對(duì)定子進(jìn)行效學(xué)建模．導(dǎo)出整個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析梗珊，再用有限元方法對(duì)定子撮動(dòng)模態(tài)進(jìn)行精確的分析與計(jì)算．井分析電動(dòng)機(jī)幾何尺寸、粘按層對(duì)振動(dòng)性能的影響，最后用等效電路法來(lái)進(jìn)行超聲電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路的設(shè)計(jì)與制作．設(shè)計(jì)的定子直徑為lOOmm(國(guó)內(nèi)****)的均壓型行波超聲電動(dòng)機(jī)獲得國(guó)家專利，該電動(dòng)機(jī)的原材料全部國(guó)產(chǎn)化．通過(guò)外協(xié)的配合．作者解決了原材料加工困難及工藝要求精密等同題．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明．這種綜合方法是實(shí)用有效的．為超聲電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的研究提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)．為超聲電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)業(yè)化及國(guó)內(nèi)原材科基礎(chǔ)工業(yè)及工藝的發(fā)展提供了理論分析方法和實(shí)用分析手段．
2解析法
2．1辯析法在趨聲電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用
旋轉(zhuǎn)塑、直線型超聲電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)已成為世界范圈內(nèi)的一個(gè)重要研究課題。為實(shí)現(xiàn)超聲電動(dòng)機(jī)的綜合設(shè)計(jì)，需要一個(gè)能夠反映驅(qū)動(dòng)機(jī)理的解析公式．用于分析各種材料特性和結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響．為電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供工具．Hagedorn論證了定子自由振動(dòng)的簡(jiǎn)單模型；Maeno使用解析模型和有隈元相結(jié)合的方法研究了電動(dòng)機(jī)接觸機(jī)理和相互作用，Zharii研究了USM定轉(zhuǎn)子問(wèn)的光滑接觸和粘附接觸，并導(dǎo)出了相關(guān)應(yīng)力、位移及速度的分布研究了環(huán)形壓電定子的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題; WaIlaschek討論了USM中不同接觸模型;Hag00d提出了一個(gè)普遍的壓電旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的舸析公式，為分析目前大部分USM提供解析分析的框架;Mass建立了能夠用于控制的解析模型。
2．2超聲電動(dòng)機(jī)梗型的描述和組成Ⅲ
USM的運(yùn)行特性取決于定子振動(dòng)的形狀、頻率和幅值，接觸層的尉度、阻尼、摩擦特性，轉(zhuǎn)子的黍性．垂直預(yù)壓力．定轉(zhuǎn)子的靜態(tài)彎曲等渚多因素。很難建立一個(gè)普遍的模型包含以上所有因素，因而，往往針對(duì)特定的應(yīng)用和研究需要建立面向特定問(wèn)題的筷墨。通常的分析步驟為：首先根據(jù)定子搬動(dòng)結(jié)構(gòu)， |
