超声波电机的工作原理

超声波电机的工作原理

超声波电动机的工作原理 一、逆压电效应简介

压电效应是在1880年由法国的居里兄弟首先发现的。一般在电场作用下，可以引起电介质中带电粒子的相对运动而发生极化，但是某些电介质晶体也可以在纯机械应力作用下发生极化，并导致介质两端表面内出现极性相反的束缚电荷，其电荷密度与外力成正比。这种由于机械应力的作用而使晶体发生极化的现象，称为正压电效应;反之，将一块晶体置于外电场中，在电场的作用下，晶体内部正负电荷的重心会发生位移(这一极化位移又会导致晶体发生形变。这种由于外电场的作用而使晶体发生形变的现象，称为逆压电效应，也称为电致伸缩效应。正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。

超声波电动机就是利用逆压电效应进行工作的，图9 2所示为逆压电效应示意图，进一步说明了逆 压电效应的作用。压电体的极化方向如图9-2中箭头所示(当在压电体的上、下表面施加正向电压(

即在压电体表面形成上正、下负的电场时，压电体在长度方向便会伸张;反之，若在压电体上、下表面施加反向电场(则压电体在长度方向就会收缩。当对压电体施加交变电场时，在压电体中就会激发出某种模态的弹性振动。当外电场的交

变频率与压电体的机械谐振频率一致时，压电体就进入机械谐振状态。成为压电振子。当振动频率在20kHz以上时，就属于超声振动。

二、椭圆运动及其作用

超声振动是超声波电动机工作的最基本条件，起驱动源的作用。但是(并不是任意超声振动都具有驱动作用，它必须具备一定的形态(即振动位移的轨迹是一椭圆时，才具有连续的定向驱动作用。

图9-3所示质点的椭圆运动示意图，设定子(振子)在静止状态下与转子表面有一微小间隙(当定子产生超声振动时，其上的接触摩擦点(质点)A做周期运动(轨迹为一椭圆。当A点运动到椭圆的上半圆时，将与转子表面接触(并通过摩擦作用拨动转子旋转;当A点运动到椭圆的下半圆时，将与转子表面脱离，并反向回程。如果这种椭圆运动连续不断地进行下去(则对转子具有连续的定向拨动作用。从而使转子连续不断地旋转。因此，超声波电动机定子的任务就是采用合理的结构，通过各种振动的组合来形成椭圆运动。

那么，怎样才能形成椭圆运动呢?设有两个空间相互垂直的振动位移ux和uy，均是由简谐振动形成，振动角频率为ω0，振幅分别为ξx和ξy，时间相位差为ψ即有

从中消去时间t，则有

式(9-2)中,当ψ=nπ(n=0,?l，?2(…)时，两个位移为同向运动，合成轨迹 为一条直线;当ψ?nπ时，其轨迹为一椭圆，并且在ψ=nπ?π,2时为一规则椭圆。不同相位 差时的椭圆形态如图9 -4所示。

由此可见，相位差ψ的取值就决定了椭圆运动的旋转方向(当ψ>O时(椭圆运动为顺时针方向，当ψ

三、行波的形成及特点

上面讨论的是一个质点椭圆运动的作用。单靠一个质点的椭圆运动还不足以推动转子并驱动一定的负载，而应该依靠一系列质点的连续椭圆运动来推动转子旋转，也就是说这些质点需要进行行波眭质的运动。根据波动学理论，两路幅值相等、频率相同、时间和空问均相差π,2的两相驻波叠加后(将形成一个合成行波。

如图9 5(a)所示，将极化方向相反的压电体依次粘结在弹性体上(当在压电体极化方向施加交变电压时，压电体在长度方向将产生交替伸缩形变，在一定的激振电压频率ω0下，弹性体上将产生如图9-5(b)所示的驻波(其数学表达式为

式中:χ为横向坐标;y为纵向坐标;ξ为驻波波幅:λ为驻波波长。