扭矩混合化压电新式电机的探讨

电机结构动力学设计超声电机是利用共振原理工作的。当电机定子中所需的纵振固有

频率和扭振固有频率接近时，电机的效率最高。若定子采用等截面的直杆，因纵振波和剪切
波的波速不同，纵、扭固有频率相差较大。另外，第二节指出，压电片要安放在振型的节平
面处。为满足电机的这些动力学要求，必须对电机定子的结构进行优化设计。
　　定子动力特性设计的第一步是结构形式的确定。结构形式的合理性会大大改善结构的动
力特性。选定结构形式后，再对结构的几何参数进行设计，使结构满足具体的动力要求。在
对结构的几何参数进行设计时，避免采用传统的试凑法，采用了效率较高的优化法

<5>。

　　对又短又粗的杆件来说，其第一阶扭振频率常低于

20kHz，一般采用频率较高的第一

阶纵振频率和第二阶扭振频率。等截面杆件的第二阶扭振频率大于第一阶纵振频率，为使共
振频率接近，必须改变定子的结构形式。通过大量的有限元分析发现，若采用中间粗两头细
的阶梯型定子，可以有效地降低定子的第二阶扭振频率，升高第一阶纵振频率，从而使两
频率趋于一致。
　　结构几何参数对频率的影响。因为只是寻找几何参数对频率的影响趋势，为方便起见，
定子只由

45 钢构成，没有放置压电陶瓷片。h 是半径为 r2 部分的长度。阶梯式定子的几何参

数对频率的影响从可以看出，阶梯式定子外缘半径

r2 和内缘半径 r1 比值的大小对其第一阶

纵振频率

fL1 和第二阶扭振频率 fT2 的接近程度影响很大，当 r2/r1 较小时，fL1 和 fT2 没有

接近的趋势；

r2/r1 越大，fL1 和 fT2 接近的趋势越明显。无疑，r1 和 r2 应作为设计变量。

　　由于电机在超声频率范围内工作，对于大直径的杆件，不能太长，否则杆件的纵扭固
有频率会低于

20kHz.这样一维有限元理论就不适用于该型电机的定子，必须用三维体单元

对杆件进行有限元分析。
　　电机的负载

-速度关系 5 实验根据优化得到的几何参数制作装配了电机（直径 45mm）。

分别在纵振压电片和扭振压电片上施加相位相差

90°、频率为 32kHz 的 400VP-P 电压，电机

运转平稳。只有一相电压输入时，电机没有动作，说明电机确实是利用纵、扭两个模态工作
的。驱动电压的频率越接近纵扭共振频率，转子的转速越快，输出扭矩越大。
　　说明纵振固有频率和扭振固有频率的接近能提高电机的性能。实验还发现，加在转子上
的预压力大小，对电机的性能有重要影响。转子转速随预压力增加而下降，但最大输出扭矩
先随预压力增加而增加，后随预压力增大而减小，这种现象在另外的文章中讨论。是所做的
电机负载

-速度关系曲线。

　　结束语本文研究了纵扭型压电超声电机的几个关键技术问题，从电机的运转和测量结
果看，基本解决了电机从结构动力设计到驱动和控制的关键问题，下一步继续对该型电机
进行深入的研究，包括电机定子和转子接触界面的摩擦特性分析、寻找更好的结构形式、如
何提高电机效率等。