面內(nèi)旋轉(zhuǎn)模態(tài)超聲波電機設計的若干技術
郭 輝，孫合明，趙淳生
（南京航空航天大學，江蘇南京210016）
摘要：闡述了面內(nèi)旋轉(zhuǎn)模態(tài)超聲波電機的工作原理，針對面內(nèi)旋轉(zhuǎn)模態(tài)電機的特點，分別從陶瓷片的極化、工作界面的確定、振動模態(tài)的選擇、定子的固定方式、預緊機構(gòu)的設計幾方面論述了電機設計過程中應當注意的問題。
關鍵詞：面內(nèi)彎曲振動；旋轉(zhuǎn)模態(tài)；超聲波電機
中圖分類號：tm302 文獻標識碼：a 文章編號：1001-6848(2000)01-0011-03
1 引 言
自80年代初壓電超聲波電機開發(fā)成功以來，關于超聲波電機的進一步研究不斷取得新進展，由于此一新形式的電機具備通常電磁電機所沒有的低轉(zhuǎn)速下大轉(zhuǎn)矩、不產(chǎn)生磁性干擾等優(yōu)點，故在諸多領域有著非常良好的應用前景。
適應現(xiàn)代化工業(yè)產(chǎn)品小型化、微型化的需要，超聲電機不僅僅體積要小，而且厚度要薄。與通常的利用圓盤軸向彎曲振動模態(tài)的行波型壓電超聲波電機相比，利用面內(nèi)彎曲振動模態(tài)的超聲波電機定、轉(zhuǎn)子之間不沿軸向而沿徑向接觸，故更有利于實現(xiàn)薄型化。另外值得一提的是，此種電機的定子可只由陶瓷片構(gòu)成，也可制成功率為毫瓦級的產(chǎn)品。圖1為一種利用面內(nèi)彎曲振動模態(tài)的壓電超聲波電機結(jié)構(gòu)簡圖。
由于此種電機所利用的模態(tài)和通常的行波型超聲波電機不同，因此在具體設計上存在自己的一些特點，有必要對此進行探討。
2電機工作原理
一個位于圓環(huán)面上的旋轉(zhuǎn)型模態(tài)可以產(chǎn)生驅(qū)動力[1]。要實現(xiàn)面內(nèi)旋轉(zhuǎn)型模態(tài)，可以直接利用兩個同階的面內(nèi)彎曲振動模態(tài)合成。面內(nèi)彎曲振動模態(tài)為簡并形式的模態(tài)，即同一個頻率對應著無數(shù)個同形模態(tài)。對于連續(xù)體振動模態(tài)，其表現(xiàn)形式是一簡正的駐波，即可以用下式表示：
當給圓環(huán)以空間和時間上均相差90度的兩個激勵信號時，則在此圓環(huán)周邊上就將由兩個簡正的駐波形成一旋轉(zhuǎn)模態(tài)，即一行波。用數(shù)掌式子可表示為：
依靠摩擦力的作用，此旋轉(zhuǎn)模態(tài)將帶動與之相接觸的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動[1]。
3電機設計的若干問題
3.1電機陶瓷片的極化
面內(nèi)旋轉(zhuǎn)模態(tài)電機陶瓷片極化方式有沿徑向極化和沿軸向極化兩大類，這兩種極化方式在實際中都有應用，徑向極化方式更有利于激發(fā)出所需要的面內(nèi)彎曲振動模態(tài)。此種電機的陶瓷片雖仍然可以采用軸向極化方式進行極化，但為了更為有效地激發(fā)出所需面內(nèi)彎曲振動模態(tài)，必須考慮振子在作面內(nèi)彎曲振動時陶瓷片表面的電荷分布。只有當極化方式和電荷分布相一致時才能取得理想的激振效果。
圓環(huán)振子在作面內(nèi)彎曲振動時的表面電荷分布有如下計算公式[3]：
陶瓷片在極化時要依此公式作出表面電荷分布沿圓環(huán)徑向的曲線，找到電荷為零的圓周，再結(jié)合所用的具體模態(tài)可完成壓電陶瓷的分區(qū)。圖2和圖3為陶瓷片分別采用徑向極化和軸向極化方式時的分區(qū)圖，所用模態(tài)為(2，1)。
3.2定轉(zhuǎn)子接觸界面的選擇
由于面內(nèi)旋轉(zhuǎn)模態(tài)電機利用圓環(huán)字子的周邊帶動轉(zhuǎn)子工作，所以對于電機定子，它有內(nèi)環(huán)周面和外環(huán)周面可供使用，在電機設計過程中，可根據(jù)具體情況選擇。要注意的是，在選擇某一面內(nèi)彎曲模態(tài)時，首先要考慮圓環(huán)定子的內(nèi)、外圓周上能否形成橢圓軌跡，要注意圓環(huán)定子的內(nèi)、外半徑比的變化對其內(nèi)、外圓周面上所形成的橢圓軌跡的影響。因為對于旋轉(zhuǎn)模態(tài)電機，當定子與轉(zhuǎn)子接 |
