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超声波电动机的工作原理

2010-04-12  yunizi
超声波电动机的工作原理

 一、逆压电效应简介
  压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下,可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化,但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化,并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷,其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象,称为正压电效应;反之,将一块晶体置于外电场中,在电场的作用下,晶体内部正负电荷的重心会发生位移.这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象,称为逆压电效应,也称为电致伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。
    超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的,图9 2所示为逆压电效应示意图,进一步说明了逆
压电效应的作用。压电体的极化方向如图9-2中箭头所示.当在压电体的上、下表面施加正向电压.

   即在压电体表面形成上正、下负的电场时,压电体在长度方向便会伸张;反之,若在压电体上、下表面施加反向电场.则压电体在长度方向就会收缩。当对压电体施加交变电场时,在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交变频率与压电体的机械谐振频率一致时,压电体就进入机械谐振状态。成为压电振子。当振动频率在20kHz以上时,就属于超声振动。
    二、椭圆运动及其作用
    超声振动是超声波电动机工作的最基本条件,起驱动源的作用。但是.并不是任意超声振动都具有驱动作用,它必须具备一定的形态.即振动位移的轨迹是一椭圆时,才具有连续的定向驱动作用。
    图9-3所示质点的椭圆运动示意图,设定子(振子)在静止状态下与转子表面有一微小间隙.当定子产生超声振动时,其上的接触摩擦点(质点)A做周期运动.轨迹为一椭圆。当A点运动到椭圆的上半圆时,将与转子表面接触.并通过摩擦作用拨动转子旋转;当A点运动到椭圆的下半圆时,将与转子表面脱离,并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去.则对转子具有连续的定向拨动作用。从而使转子连续不断地旋转。因此,超声波电动机定子的任务就是采用合理的结构,通过各种振动的组合来形成椭圆运动。
    那么,怎样才能形成椭圆运动呢?设有两个空间相互垂直的振动位移ux和uy,均是由简谐振动形成,振动角频率为ω0,振幅分别为ξx和ξy,时间相位差为ψ即有
   
从中消去时间t,则有


    式(9-2)中,当ψ=nπ(n=0,±l,±2.…)时,两个位移为同向运动,合成轨迹
为一条直线;当ψ≠nπ时,其轨迹为一椭圆,并且在ψ=nπ±π/2时为一规则椭圆。不同相位
差时的椭圆形态如图9 -4所示。

 由此可见,相位差ψ的取值就决定了椭圆运动的旋转方向.当ψ>O时.椭圆运动为顺时针方向,当ψ<O时,椭圆运动为逆时针方向。由于椭圆运动的旋转方向决定了定子对转子的拨动方向,因此也就决定了超声波电动机的转子转向。
  三、行波的形成及特点
  上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载,而应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转,也就是说这些质点需要进行行波眭质的运动。根据波动学理论,两路幅值相等、频率相同、时间和空问均相差π/2的两相驻波叠加后.将形成一个合成行波。
    如图9 5(a)所示,将极化方向相反的压电体依次粘结在弹性体上.当在压电体极化方向施加交变电压时,压电体在长度方向将产生交替伸缩形变,在一定的激振电压频率ω0下,弹性体上将产生如图9-5(b)所示的驻波.其数学表达式为


 
式中:χ为横向坐标;y为纵向坐标;ξ为驻波波幅:λ为驻波波长。


    设在弹性体上同时存在两相驻波A和B,它们的频率同为ω0.波幅同为ξ.波长同为λ并且在时间和空间上均相差π/2,即

其合成为
  
这是一个频率为ω0、波幅为ξ、波长为λ的行波。
    在环形行波型超声波电动机中,定子上的压电陶瓷环是行波形成的核心,它的电极配置如图9—6所示,其中。+”、-”表示极化方向。压电陶瓷片按照一定规律分割极化后分为A、B两相区,两相空间排列相差π/2(1/4波长),并且分别施加在时间上也相差π/2的高频交流电(E1和E2)A、B两相分别在弹性体上激起驻波。两相驻波叠加后,将形成一个沿定子圆周方向的合成行波,推动转子旋转。
    压电陶瓷片的厚度决定了在一定电压下是否能够起振,如果压电陶瓷片太厚(大于1.5mm),则在通常情况下不易起振;如果压电陶瓷片太薄(小于O.3mm),则在高频谐振条件下,由于形变过大而容易发生断裂,并且加工难度也会增大。另外,压电陶瓷片的厚度对压电振子的固有谐振频率
影响较大,通常取其厚度为0.5~0.8mm。
    由上可见.由两个驻波叠加而形成行波,这在机理上与电机学中的旋转磁场理论有诸多相似之处。由本书第四章知道,当在单相绕组中通人单相交流电流时产生的是脉振磁场,如果有两个匝数相同、空间互差90°电角度的绕组,当在其中通人幅值相等、时间相位互差90°的对称交流电流时,
所产生的两个脉振磁场的合成就是一个圆形的旋转磁场,旋转磁场的转向取决于电流的相序。在这里.弹性体中的驻波与单相脉振磁场相对应.而合成行波与旋转磁场相对应。将超声波电动机的行波与交流电机的旋转磁场联系起来,有助于对行波型超声波电动机工作原理的理解。
    四、转子运动速度
    下面通过分析弹性体表面上任意一点的运动轨迹,来确定转子运动的速度。
    根据式(9-5),在任意时刻f,弹性体表面上某点P的纵向振动位移为


    
    设弹性体的厚度为H,则P点的横向振动位移为
 
    由式(9 6)和式(9—7),得
 
    由此可见,弹性体表面上任意一点的运动轨迹为椭圆形,这种椭圆运动使得弹性体表面质点对转子产生连续的定向拨动作用.且转子的运动方向与行波方向相反,如图9-7所示(图9—7中小箭头表示弹性体表面质点的瞬时速度)。显然,如果改变激振电源的电压极性,便可以改变转子的运动方向。

根据式(9 7),弹性体表面质点的横向运动速度为

 横向速度的最大值应出现在行波的波峰或波谷处。此时的表面质点没有纵向速度,耳.横向速度与行波方向相反(见图9-7)。若定、转子接触面之间没有滑动,则转子的运动速度与波峰处质点的横向速度相等,其值为
   
式中:负号表示转子的运动方向与行波方向相反。
    实际上,定、转子接触面之间的滑动是难免的,因此超声波电动机转子的实际运动速度总是低于式(9-10)的值。
    设行波在定子弹性体中的传播速度为υ由行波的基本特性可知
  
这样,转子运动速度又可写为
    
    可见,在行波传播速度υ为恒值的情况下,改变激振电压的频率f0可以快速改变转速但存在一定的非线性。而改变激振电压的大小,即改变行波的振幅ξ,也可以改变转速。如果忽略压电体逆压电效应的非线性,则转速可以随激振电压做线性变化,这就是超声波电动机变压调速的特点。
  五、工作特性
  一般而言,超声波电动机的工作特性与电磁式直流伺服电动机类似,电动机的转速随着转矩的增大而下降,并且呈现一定的非线性。而超声波电动机的效率则与电磁式电机不同,最大效率出现在低速、大转矩区域,图9-8所示为超声波电动机的工作特性。

因此,超声波电动机非常适合低速运行。总体而言,超声波电动机的效率较低.这是它的一个缺点。目前。环形行波型超声波电动机的效率一般不超过50%。

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