行波型超声波电动机柔性转子结构设计要点解析

　　0引 言

　　超声波电动机通常有行波型和驻波型两种，在生产中常根据实际应用设计成不同的结构形式。现在常用且比较成熟的是行波型超声波电动机，其结构如图1所示。

　　在超声波电动机研究和设计的早期，转子基本上采用刚性结构设计。为了使定转子之间有一定的预压力，通常是在转子上安装一个碟形弹簧，利用碟形弹簧的形变来保持定转子之间的接触压力。但是通过实验发现，电机在实际运行时，定子和转子的接触面并不是平面，因为超声波电动机定子在形成行波后，不同半径上的质点不仅有轴向振幅，而且存在径向滑动。这样就增加了电机定转子之间的磨损，影响电机的输出力矩。而电机的输出力矩是由定转子之间的摩擦运动来传递的，为了使定转子之间的摩擦力沿径向分量较小，沿周向分量较大，就应该减小定转子之间的径向速度差，而增加定转子间的周向速度差，这样电机才能有较大的输出扭矩。

　　1柔性转子工作原理

　　当转子采用刚性结构设计时，预压力使转子上的碟形弹簧发生变形，而转子基本不发生变形，和定子的接触面仍然保持为平面。电机在运行时定转子间仅有很小部分接触，影响电机的输出扭矩。为了改进定转子间的变形匹配，使转子在径向也有一定的位移变形，减少径向的滑动能量损耗，采用柔性结构设计，使转子能随着定子振动变形而变形。当转子的结构尺寸设计合理时，使转子和定子振型相似，模态频率接近，在转子上激发的行波和定子的波形相反，这样可以减小定转子间的径向滑移，而增大摩擦力沿周向的分量，以提高电机输出扭矩和效率。

　　用结构设计合理的柔性转子来取代碟形弹簧不仅可以简化电机结构，而且减小了定转子间的磨损，增加了电机的输出扭矩和转速。

　　2柔型转子结构

　　本文对usM50超声波电动机设计了一种柔性 转子，其结构形状如图2所示，它内圈很薄，而外圈设计成一个工字型的圆环，在形状七就类似一个碟型弹簧。当柔性转子在一定的预压力下，转子发生弹性变形，结构尺寸设计合理，转子的径向变形会和定子变形一致，从而保证了定转子之间在径向良好的接触面，其接触状态如图3所示。

　　3静态载荷仿真分析

　　要使柔性转子有较大的弹性变形，转子腹板须设计得很薄，在转子外边缘最薄达到O.38 mm。由于转子在电机运行时不仅要转动，而且要轴向振动，在转子边缘处振幅达到最大，当工作在超声频率时可能发生疲劳破裂，所以转子材料要有很好的弹性和刚度，在这里我们选择航空硬铝合金。