面內旋轉模態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：闡述了面內旋轉模態超聲波電機的工作原理，針對面內旋轉模態電機的特點，分別從陶瓷片的極化、工作界面的確定、振動模態的選擇、定子的固定方式、預緊機構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：面內彎曲振動；旋轉模態；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速下大轉矩、不產生磁性干擾等優點，故在諸多領域有著非常良好的應用前景。
適應現代化工業產品小型化、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的行波型壓電超聲波電機相比，利用面內彎曲振動模態的超聲波電機定、轉子之間不沿軸向而沿徑向接觸，故更有利于實現薄型化。另外值得一提的是，此種電機的定子可只由陶瓷片構成，也可制成功率為毫瓦級的產品。圖1為一種利用面內彎曲振動模態的壓電超聲波電機結構簡圖。
由于此種電機所利用的模態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
一個位于圓環面上的旋轉型模態可以產生驅動力[1]。要實現面內旋轉型模態，可以直接利用兩個同階的面內彎曲振動模態合成。面內彎曲振動模態為簡并形式的模態，即同一個頻率對應著無數個同形模態。對于連續體振動模態，其表現形式是一簡正的駐波，即可以用下式表示：
當給圓環以空間和時間上均相差90度的兩個激勵信號時，則在此圓環周邊上就將由兩個簡正的駐波形成一旋轉模態，即一行波。用數掌式子可表示為：
依靠摩擦力的作用，此旋轉模態將帶動與之相接觸的轉子轉動[1]。
3電機設計的若干問題
3.1電機陶瓷片的極化
面內旋轉模態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出所需要的面內彎曲振動模態。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出所需面內彎曲振動模態，必須考慮振子在作面內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。
圓環振子在作面內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徑向的曲線，找到電荷為零的圓周，再結合所用的具體模態可完成壓電陶瓷的分區。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圖，所用模態為(2，1)。
3.2定轉子接觸界面的選擇
由于面內旋轉模態電機利用圓環字子的周邊帶動轉子工作，所以對于電機定子，它有內環周面和外環周面可供使用，在電機設計過程中，可根據具體情況選擇。要注意的是，在選擇某一面內彎曲模態時，首先要考慮圓環定子的內、外圓周上能否形成橢圓軌跡，要注意圓環定子的內、外半徑比的變化對其內、外圓周面上所形成的橢圓軌跡的影響。因為對于旋轉模態電機，當定子與轉子接 |
