ANSYS环形行波形超声波电机的阻频特性计算(2)
1．1 超声波电机的发展历史 自 1880年居里夫妇发现压电效应以来，压电学已经成为现代科学与技术的一个重要领域，它研究的是机电相互作用以及能量的耦合和转换， 超声波电机就是材料学、压电学和电力电子及自动控制等的多个学科结合的产物。 早在 1942 年英国的 A. Williams 和 W. Brown 就申请了第一个“压电马达”（Piezoelectric Motor）的美国专利，其结构原理如图 1-1 所示，四片压电陶瓷分为两组粘在长方体弹性振子的四个侧面上，如图在两组压电陶瓷片分别施加两相正交电压激励，能够在长方体弹性振子中激励起两个方向频率相同的弯曲振动，从而在弹性振子端部质点形成椭圆摇摆运动，此椭圆摇摆运动就可驱动压于其上的移动体或转子。1972 年，德国西门子公司和日本松下公司共同研制出了直线驱动机械，但其无法获得大的转矩和输出功率，松下公司为此电机申请了专利，这也是超声波电机的第一个有样机的专利。1973 年美国 IBM 公司的 H.V.Brath发明的超声波电机是第一个具有实用意义的超声波电机，其结构如图 1-2 所示。这个结构的电机由两个分置左右的楔形压电振子、两个角型驱动足以及转子组成，两个压电振子分别安装在转子两侧与驱动足与转子边缘接触。当激励一个压电振子时，转子往一个方向转动，当激励另一个时，转子便往相反方向旋转。 1980 年日本的指田年生在前苏联P.E.Vasiliev 研究的基础上，提出了一种驻波型（Standing Wave）的振动片式结构的超声波电机，并且成功地制造了这种电机。这种超声波电机的定子由一个螺栓紧固型兰杰文（Langevin）振子和很薄的振动片组成，薄的振动片压在转子的上面，并且有一个很微小的倾斜角度， 原理如图 1-3所示。当兰杰文振子以超声波的频率纵向振动时，薄片末端将会形成椭圆运动，而对电机转子产生驱动力。这种电机的工作频率为 27.8kHz，驱动电压300V，输入功率 90W，输出转矩为0.25Nm，机械输出功率 50W，效率为 55%，转速为2000r/min，它是第一个满足实际使用需要的超声波电机。但是存在的问题是：由于振动片与转子几乎垂直，电机只能单向转动，而且磨损十分严重。为了解决磨损严重等这些问题，指田年生在 1982年发明并制造了行波型（traveling wave type）超声波电机，这种环形电机实现了由断续点接触变成局部接触面连续不断地推动转子转动，从而大大降低了定子和转子接触面上的摩擦与损耗。 这种电机的应用也进一步揭示了源]自=优尔-·论~文"网·www.youerw.com/ ：只要能够使超声波电机的定子弹性体表面质点产生椭圆运动，就可以构造出可行的超声波电机结构。这一原理推动了各种振动模态形式耦合的超声波电机的产生。此外该形式的超声波电机只需改变驱动电压的相位差就可实现正反转，并且定子、转子之间是连续轮流循环接触，磨损较小，因而引起了众多公司、研究机构和大学的兴趣，包括新生、松下、佳能等公司和东京工业大学、山形大学、东北大学等高校争先对超声波电机进行了大量的研究和开发，从而使超声波电机进入了大规模的实验研究和实用化开发阶段。各种不同结构形式的超声波电机也不断被提出，驱动控制电路、应用产品专利层出不穷。
1．2 超声波电机的分类和特点
1.2.1 超声波电机的分类 与传统电磁电机不同，超声波电机的结构灵活、形式多样，使用不同的电机定子振动模态就可以构造出很多种电机形式。 按照驱动方式的不同，超声波电机可以分为行波型、驻波型和电致伸缩公转子型；按照机械获取方式的不同，可分为非谐振驱动和谐振驱动两种类型文献综述；按照定转子接触方式的不同，可分为摩擦驱动，非摩擦驱动和非接触型三种类型；按照定子表面椭圆运动获取方式不同，可分为单振动模型和多振动模型两种类型。 超声波电机基本原理为定子的振动质点通过媒介（摩擦材料或者流体）推动动子运动。根据这一原则，超声波电机的结构形式就比较灵活，可以设计出各种各样结构的电机，这些结构也大致可以分成四大类，如图 1-5 所示，它们分别是：音叉结构、板结构、环形结构、圆柱结构。
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