【分　 类】 机械与建筑工程
【关 键 词】 超声电机；行波；双接触面；振子
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正文：
摘  要: 分析了双接触面振子的工作原理，针对多种结构形式的双接触面旋转行波超声电动机振子进行了有限元分析。对振子的输出振幅进行了谐波分析，确定了振子的结构形式。仿真结果表明振子内圈固定方式电机性能优于外圈固定方式；振子外径相同时，压电陶瓷片贴于齿环内侧电机性能优于贴于齿环外侧。
关键词: 超声电机；行波；双接触面；振子
 
Finite Element Analysis of the Vibrator of Traveling Wave USM with Bi-contact Surface
       
Abstract: The working principle of vibrator with bi-contact surface was analyzed. Finite element analysis of different kinds of vibrators was done. The vibrator structure was approved by the harmonic analysis of the amplitude of vibrator. The result showed performance of the motor with inner circle fixed vibrator was better than the motor with outer fixed vibrator. Also, piezoelectric ceramic affixed inside the tooth ring was better than outside when the external diameter of the vibrator is the same.
Key Words: Ultrasonic motor; Traveling wave; Bi-contact surface; Vibrator
 
0 引  言
超声电机具有功率/质量比大、结构紧凑、低速大扭矩、响应快、断电自锁、电磁兼容性和控制性能好等突出优点，备受各国科研工作者的青睐，已成为当前机电控制领域的一个研究热点，在超声电机理论、方法、制作、应用等方面都取得极大进展, 研究和应用成果丰富, 已在精密仪器仪表、数控加工、机器人、医疗器械、航空航天及新型武器装备等领域得到广泛的应用^[1-4]。但在如何提高使用寿命、提高绝对驱动功率等方面极需深入研究，为进一步拓展超声电机的应用领域和范围具有特别重要的意义。
1 振子结构与工作原理
本文研究的超声电机振子是利用圆环振子面外弯曲振动模态工作。在金属环的两侧面加工有驱动齿，两侧面上分别粘贴有压电陶瓷环。由于在振子的两侧面均有驱动齿，粘贴陶瓷片时只能将陶瓷片粘贴在齿环外侧或内侧。根据驱动振子固定方式（内圈或外圈固定）、陶瓷片的粘贴位置（齿环内侧或齿环外侧）不同，可以得到如图1所示的四种结构形式。
 

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   (a) 内圈固定、内侧贴陶瓷片      (b) 内圈固定、外侧贴陶瓷片             (c) 外圈固定、内侧贴陶瓷片      (d) 外圈固定、外侧贴陶瓷片
图1 振子结构
1.金属体   2.压电陶瓷片   3.驱动齿
将加工有驱动齿的两侧面分别与动子接触，构成双接触面结构，若在结构上保证两动子同步转动，则可实现双面同步驱动，从而增加驱动力。驱动方式如图2所示。
 

动子运动方向

动子

弹性体

质点轨迹

中性层

φ

ζp

ξp

P0

P

ξq

ζq

λ/2

q0

q

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