行波型超声波电机毕业设计说明书毕业论文.doc

目录第1章绪论.31.1超声波电机的定义与发展历史.31.2超声波电机的基本工作原理.41.3超声波电机的分类.51.4超声波电机的特点和应用.61.5超声波电机技术的展望.6第2章行波型超声波电机的运行机理.82.1椭圆运动的分析.82.2驻波的产生及行波的合成.10第3章行波型超声波电机的理论计算与设计.133.1定子谐振频率的计算.133.2压电陶瓷换能器的设计和制作.163.2.1压电陶瓷的设计.163.2.2压电陶瓷材料的选用.173.2.3压电陶瓷的接线方式.173.3定子的设计及制作.193.3.1定子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系.193.3.2定子的内外径尺寸的选择.213.3.3定子的振动模态的选择.213.3.4定子的齿形齿数设计.213.3.5定子的结构设计.223.3.7定子材料的选择.233.4转子的设计及制作.243.4.1超声波电机转子的柔性要求.243.4.2定转子径向弯曲配合.253.4.摩擦层的设计.263.5定转子设计的总结.26第4章样机整体结构设计.27第5章全文总结.29参考文献.30致谢.31附录.错误!未定义书签。英文翻译译文.错误!未定义书签。湘潭大学兴湘学院1行波型超声波电机设计摘要：超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的新概念、新原理电机。与传统电磁型电机截然不同，其驱动力矩并非由电磁感应产生，它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动，通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子。由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如结构紧凑、低速大转矩、响应速度快、不受磁场影响、断电自锁、可直接驱动负载等。正是由于超声波电机具有许多的优点和广阔的应用前景，成为当前世界范围内的一门新兴前沿课题。本文主要以旋转行波型超声波电机为研究对象，设计制作超声波电机的实验样机。研究的主要内容可概括如下：系统地总结国内外超声波电机的发展历史和重要意义，介绍了超声波电机的工作原理、分类、特点及其应用前景。在对超声波电机相关理论研究的基础上，从超声波电机定子设计着手，详细介绍了超声波电机的设计和制作过程。关键词：超声波电机压电陶瓷行波湘潭大学兴湘学院2DesignofTravelingWaveUltrasonicMotorAbstract：Ultrasonicmotorisauseoftheinversepiezoelectriceffectofpiezoelectricceramicworkofnewconcepts,newprinciplesofmotors.Verydifferentfromthetraditionalelectromagneticmotor,thedrivingtorqueisnotgeneratedbytheelectromagneticinduction,whichusesthepiezoelectriceffecttogenerateultrasonicvibrationofstator,throughthefrictionbetweenthestatorandrotortodrivetherotor.Sincetheworkingprincipleofultrasonicmotorsspecial,ithasalotoftraditionalelectromagneticmotorscannotmatchthesuperiorperformance,suchascompactstructure,lowspeedhightorque,fastresponse,freefrommagneticinfluence,powerlocking,candirectlydrivetheloadandsoon.Itisbecauseofultrasonicmotorhasmanyadvantagesandpotentialapplications,becometheworldsanewfrontiersubject.Inthispaper,arotarytravelingwavetypeultrasonicmotorforthestudy,designedtheexperimentalprototypeultrasonicmotor.Themaincontentcanbesummarizedasfollows:Thesystemsumsupthehistoryofthedevelopmentofultrasonicmotorhomeandabroadandtheimportanceofintroducingtheprincipleofultrasonicmotors,classification,characteristicsandapplicationprospects.Inthetheoryofultrasonicmotorsbasedonultrasonicstatordesignfromthestart,ultrasonicmotordescribedindetailthedesignandproductionprocess.Keywords:UltrasonicMotorPiezoelectricceramicsTravelingWave湘潭大学兴湘学院3第1章绪论本章主要介绍超声波电机的概念、分类、特点及其应用，总结了其发展历史和应用展望。1.1超声波电机的定义与发展历史传统电机的发明和发展已有100多年的历史。无论在理论上、设计方法上或制造技术上，都已达到十分完善的程度。由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前对电机所提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等要求。为此，世界各国都在努力研究各种新型电机。其中，二十世纪末期发展起来的超声波电机算是最典型的一种。超声波电机（UltrasonicMotor，简称USM）的基本结构及工作原理完全不同于传统的电机，没有绕组与磁路，不以电磁作用传递能量，而是一种利用超声波振动能作为驱动源的新原理电机，是电机制造、机械振动学、摩擦学、功能材料、电子技术和自动控制等学科综合交叉发展的产物。它将电能通过压电陶瓷转变为机械振动能，然后又借助摩擦力将机械振动能转变为直线运动或旋转运动。由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大、可直接驱动负载等。可以说，超声波电机技术是处于当今世界高新技术之一。虽然USM是近二十年才备受重视并得到巨大发展的一种新型直接驱动电机，其发展史却可追溯到五十多年以前。50多年前，人们就知道了超声波电机的这个驱动原理，然而由于当时材料与技术的局限，超声波电机只能是“空中楼阁”，没有得以实现。一直到80年代初，具有高转换效率的压电材料出现以后，再加上电力电子控制技术的发展，才逐步研制出各种各样的超声波电机。据笔者收集的资料，将超声波电机的发展历史过程总结如下：利用弹性振动获得动力的尝试是从钟表开始的。1961年，英国的BulovaWatchLtd钟表公司首次提出了用弹性体振动能量作为驱动力的理论，并研制成音叉驱动的手表，在国际上引起了轰动。1973年，美国IBM公司的H.V.Barth博士首先研制成功原理性超声波电机，如图1.1所示。该电机由一个转子和两个驱动振子构成，当振子(1)激振时转子顺时针方向回转，图1.1H.V.Barth的超声波电机