一種改進(jìn)型共軸并聯(lián)式超聲波電機(jī)設(shè)計(jì)
張焱，胡敏強(qiáng)，宋愛國(guó)，靳宏，金龍
（東南大學(xué)伺服控制技術(shù)教育部工程研究中心，南京210096）
摘要：為提高傳統(tǒng)環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，研制了一種改進(jìn)型共軸并聯(lián)式雙定子雙轉(zhuǎn)子超聲波電機(jī)。與傳統(tǒng)行波型超聲波電機(jī)相比，這一電機(jī)在保證驅(qū)動(dòng)電源和直徑不變的基礎(chǔ)上，通過略微增加的體積，將輸出轉(zhuǎn)矩在理論上增加一倍。同時(shí)，通過對(duì)這種電機(jī)的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，輸出轉(zhuǎn)矩較同型號(hào)超聲波電機(jī)增加百分之80，表明該電機(jī)具有實(shí)際生產(chǎn)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：行波超聲電機(jī)；大力矩；共軸并聯(lián)
中國(guó)分類號(hào)：tm359.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010)02-0037-04
0引 言
超聲波電機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)換成彈性體的超聲振動(dòng)，并通過摩擦傳動(dòng)的方式，將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。其中行波型超聲波電機(jī)利用的是彎曲一彎曲振動(dòng)模態(tài)，定、轉(zhuǎn)子間的接觸是局部面接觸，定子連續(xù)推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，大大降低了定、轉(zhuǎn)子接觸界面的磨損。因此，環(huán)形行波型超聲波電機(jī)除擁有響應(yīng)快、低速大轉(zhuǎn)矩、無輸入自鎖、不受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)之外，還具有壽命長(zhǎng)、傳動(dòng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。
由于行波型超聲波電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子之間是局部接觸，使得輸出轉(zhuǎn)矩較小。為解決這一問題，******易行的方法是通過增大電機(jī)直徑和軸向壓力的方法。但是，直徑的增加直接導(dǎo)致了電機(jī)體積大幅度地加大；而軸向壓力的增加又將導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部摩擦損耗的加劇，降低了電機(jī)的使用壽命。為解決這一問題，本文提出一種改進(jìn)型共軸并聯(lián)式雙定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，從電機(jī)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，在不過多螬加體積和保證電機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和輸出功率。
1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
改進(jìn)型共軸并聯(lián)式超聲波電機(jī)是在傳統(tǒng)的umt60型超聲波電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，只提高電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩和功率，而不改變電機(jī)的其他工作性能，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
改進(jìn)型共軸并聯(lián)式超聲波電機(jī)由一個(gè)轉(zhuǎn)軸、兩個(gè)定子和兩個(gè)轉(zhuǎn)子，以及安裝固定底座和端蓋組合而成。兩個(gè)定子粘貼壓電陶瓷和摩擦材料后，通過螺絲分別與底座和端蓋固定在一起。兩個(gè)轉(zhuǎn)子裝配在同一根軸上后，軸的兩個(gè)輸出端由固定在底座和端蓋上的軸承中伸出。由此形成共軸雙定子雙轉(zhuǎn)子行波型超聲波電機(jī)。
在圖l所示改進(jìn)型共軸并聯(lián)式超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)圖中，有以下特點(diǎn)：
1)同軸的兩個(gè)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)umt60型環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相同。利用機(jī)械零件加工的一致性和優(yōu)化選擇，保證兩個(gè)定子性能一致。
2)在兩個(gè)定子上，與轉(zhuǎn)子相接觸的面上分別粘貼摩擦材料，以減少電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的摩擦損耗，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。
3)在兩個(gè)定子上，靠近底座和端蓋的面上分別粘貼壓電陶瓷片，保證定子在電源的驅(qū)動(dòng)下，按照預(yù)定的方式振動(dòng)，用以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
4)通過對(duì)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)的改變，使之卡在底座和端蓋的軸承間，用以提高電機(jī)軸向的耐振動(dòng)沖擊能力。
5)轉(zhuǎn)軸提供了兩個(gè)輸出端。一端從底座伸出，用以帶動(dòng)負(fù)載；另一端從端蓋伸出，用以直接與傳感器連接。
由此設(shè)計(jì)，便實(shí)現(xiàn)了環(huán)形行波型超聲波電機(jī)的雙定子雙轉(zhuǎn)子共軸工作方式。兩套相同結(jié)構(gòu)的定、轉(zhuǎn)子不僅在同一根軸上實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩疊加，提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩；還使得彼此之間有一定的獨(dú)立性，消除了兩個(gè)定子在振動(dòng)過程中的相互影響。
2設(shè)計(jì)原理
由于這一電機(jī)中任意一套定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)umt60型環(huán)形行波型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)完全相同：定轉(zhuǎn)子均為環(huán)形結(jié)構(gòu)；其中，定子上開有齒槽，定子同轉(zhuǎn)子接觸面覆有一層特殊的摩擦材料，定子背面粘接上壓電陶瓷。因此它侗的工作原理也相同：通過對(duì)極化后的兩相壓電陶瓷片同時(shí)施加頻率相同的交流電壓，保證這兩相電壓在空間上和時(shí)間上相位均相差90度，從而在定子上產(chǎn)生行波；于是定子上的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而依靠定轉(zhuǎn)子間的接觸摩擦驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
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