(论文)行波型超声波电机 设计说明书最新优秀毕业论文资料搜集呕血奉献

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32英文翻译译文32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 Design of Traveling Wave Ultrasonic MotorAbstract：Ultrasonic motor is a use of the inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic work of new concepts, new principles of motors. Very different from the traditional electromagnetic motor, the driving torque is not generated by the electromagnetic induction, which uses the piezoelectric effect to generate ultrasonic vibration of stator, through the friction between the stator and rotor to drive the rotor. Since the working principle of ultrasonic motors special, it has a lot of traditional electromagnetic motors can not match the superior performance, such as compact structure, low speed high torque, fast response, free from magnetic influence, power locking, can directly drive the load and so on. It is because of ultrasonic motor has many advantages and potential applications, become the worlds a new frontier subject. In this paper, a rotary traveling wave type ultrasonic motor for the study, designed the experimental prototype ultrasonic motor. The main content can be summarized as follows: The system sums up the history of the development of ultrasonic motor home and abroad and the importance of introducing the principle of ultrasonic motors, classification, characteristics and application prospects. In the theory of ultrasonic motors based on ultrasonic stator design from the start, ultrasonic motor described in detail the design and production process. Key words: Ultrasonic Motor Piezoelectric ceramics Traveling Wave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（Ultrasonic Motor，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：图1.1 H.V.Barth 的超声波电机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Bulova Watch Ltd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，当振子(2)激振时，转子逆时针方向回转。与此同时，前苏联的V.H.Lavrinenko等人也研制出几乎与Barth相同的原理性超声波电机。并指出了超声波电机结构简单、成本低、低速大转矩、单位质量功率大、运动精确、能量转换效率高等一些基本特性。1978年，前苏联的Vasiliev等成功地构造了一种能够驱动较大负载的超声波电机，如图1.2所示。图1.2 前苏联的Vasiliev构造的超声波电机这种电机使用两个金属块夹持压电元件结构的超声换能器，利用振动片的纵向振动及诱发的弯曲振动，通过摩擦来使转子转动。结构上不仅能够降低了共振频率，而且放大振幅。但由于在运转条件下，电机的磨损和发热严重，很难保持振动片的恒幅振动，故也未获得实际应用。使超声波电动机真正走上实用的是日本的指田年生，在1980年成功制造了一种振动片型超声波电动机。所用振子是用螺栓压紧的郎之万（Langevin）振子，一种能工作在超声领域的切割式振子。振子的前端面作纵向振动，其上安装楔形的振动片，振动片前端跟圆板状的转子接触，前端的运动轨迹是一个变形了的椭圆。这种超声波电动机具有高速性，无负荷速度是2000rpm；高效率，最大效率达60%；寿命短，因为振动片和转子之间近乎直角的接触，两者之间接触和脱离瞬间的滑动无法解决，因此产生的磨损使寿命较短。为了解决这个问题，指田年生在1982年发明了行波型超声波电动机，该电机的原理利用行波在有限弹性体内传播时表面质点产生的椭圆运动，行波型超声波电动机只需改变驱动相位差即可实现正反转，而且定子、转子之间是多点轮流接触，磨擦很小。行波型超声波电动机具有良好的应用前景，引起了众多大公司和大学的兴趣，争先对超声波电动机进行研究和开发，从而使超声波电动机进入大规模的实验研究和实用化开发阶段。1.2 超声波电机的基本工作原理如图1.3所示为超声波电机的工作基本原理示意图。超声波电机一般由高频输入电源、定子（压电陶瓷和弹性体）和转子（移动体和耐磨材料)组成。在压电陶瓷上加频率为几十千赫的高频交流电源，利用逆压电效应即电致伸缩效应产生几十千赫的超声波振动。然后，将这种振动通过弹性体和移动体之间的摩擦力变换成旋转或直线运动，或者直接用压电振子产生弯曲振动驱动移动体转动。图1.3 超声波电机的基本原理示意图从这里可以看出，超声波电机是利用压电陶瓷逆压电效应原理。高频电源产生信号的频率和电机的固有频率一致，形成共振，产生高频机械振动。这种振动借助定子和转子间的摩擦耦合来驱动电机运动。这就是超声波电机的基本工作原理。其能量转换可分为以下两个过程：高频交流通过压电陶瓷的逆压电效应把电能转换为定子的机械能；定转子之间通过摩擦耦合把定子的机械能转换为转子的机械能。1.3 超声波电机的分类超声波电机利用压电陶瓷的压电效应及弹性体的机械振动，通过转子与定子间的摩擦力来驱动电机转动。由于压电陶瓷的极化形式多样，弹性体的振动模式也具有多样性，可采用不同的振动模态来产生驱动力，因而可以研制出多种不同结构的超声波电机，如环型或盘型、直线型、球型、弯扭耦合型、纵扭复合型、非接触型及自校正型等等。一般按照使用的波动方式的不同分为驻波型和行波型两种。根据输出运动的形式不同又可以分为旋转型和直线型。根据驱动位移的量级也可以分为一般的超声波电机和微动超声波电机（微米级和亚微米级的驱动位移）。而根据输出运动自由度的个数不同可分为单自由度与多自由度。另外还可以根据定子与转子的接触形式分为接触式与非接触式。以上从不同的角度对超声波电机做了整理和分类，具体分类情况可见表1-1。从上面的分类中可以知道超声波电机可以有很多种不同的形态。但是，从目前的搜集到的各国研究资料可以发现，回旋型超声波电机是所有类型中结构较简单，用途最广泛的一种，也是最有发展前途的一种。最常见的有驻波型超声波电机和行波型超声波电机。驻波型超声波电机的特点是变换效率高，但旋转的方向一定，结构尺寸大。行波型超声波电机的特点是结构尺寸小，旋转方向可以改变，速度和位置容易控制。表1-1 超声波电机的分类情况按驱动方式分按定转子力传递接触方式分按运动方式分按自由度分超声波电机行波型单一模态型接触连续的局部面接触直线运动单自由度复合模态型连续的点（线）接触模态转换型断续的整个面接触驻波型单一模态型断续的点（线）接触旋转运动多自由度复合模态型非接触空气单一模态型液体1.4 超声波电机的特点和应用超声波电机是近二十年来发展起来的一种新型电机。它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来转换能量。与电磁式电机相比，超声波电机具有如下的几个突出的优点：1、低速大转矩；2、体积小、重量轻；3、反应速度快、控制特性好；4、无电磁感应影响；5、停止时具有保持力矩；6、运行无噪音；7、形式灵活，设计自由度大；8、可在很低的电压下工作；9、适应环境能力强。超声波电机以其新颖的工作原理和独有的性能特点，引起人们的广泛的注意。它有着很好的应用前景。其应用领域涉及到航空航天、汽车制造、生物工程、机器人、仪器仪表、医学等领域。从目前的研究情况来看，超声波电机产品可用于照相机的自动聚焦系统的驱动器；航空航天领域自动驾驶仪伺服驱动器；机器人或微型机械自动控制系统的驱动器；高级轿车门窗和座椅靠头调节的驱动装置；窗帘或百叶窗自动升降装置；CD光盘唱头驱动装置；精密仪器仪表、精确定位装置；医学领域，如人造心脏的驱动器、人工关节驱动器；强磁场环境条件下设备的驱动装置，如未来的磁浮火车；不希望驱动装置产生磁场的场合，如磁通门的自动测试转台等。可以预言，随着超声波电机在工业界的成功应用，将会发生一场新的技术革命。1.5 超声波电机技术的展望超声波电机在国际上得到越来越多的应用。专家预言：21世纪将是超声波电机大放光芒的时代，它将有可能部分取代微、小型的传统电磁电机而得到更广泛的应用。可以预计：在21世纪，为了发展我国人造卫星、导弹、火箭、飞机、机器人、微型机械、汽车、磁浮列车以及其他精密仪器，将需要大量的、高性能的超声波电机。超声波电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用。超声波电机作为一种新型驱动器，是一种典型的机电一体化产品。超声波电机正经历一个从研究开发向实际应用的转折时期，相信经过工程化、商品化研制，超声波电机将会使整个机械、电子工业和人类生活产生一次巨大的变革。第2章 行波型超声波电机的运行机理我们知道，行波型超声波电机是借助于行波的周向传播来驱动转子转动的。行波使定子与转子相接触的表面质点沿椭圆轨迹转动，利用定子与转子接触处的摩擦力推动转子转动，这是行波型超声波电机传动的最基本的工作原理，如图2.1所示。利用这个基本原理，人们制造出了各式各样的行波型超声波电机，如Panasonic公司的盘形行波型超声波电机；Canon公司的环形行波型超声波电机。行波超声波电机主要由定子、转子及驱动与控制装置组成。2.1 椭圆运动的分析图2.2 定子表面质点的运动分析图图2.1 行波型超声波电机的工作原理图行波型超声波电机定子上的压电陶瓷在二相交变电压作用下，在弹性体内形成两个时空相差为90的弯曲振动驻波，进而在弹性体定子内合成一个沿圆环周向旋转的弯曲振动行波，行波使弹性体与运动体相接触的表面质点作椭圆运动。根据参考文献将圆环展开成直梁，定子内的弯曲行波如图2.2所示。设弹性体的厚度为h，行波波长为，L为定子周长，n为定子环上驻波的波数，弯曲振动的横向位移振幅为，角频率为，那么在弹性体内中性层的行波方程为 (2-1)若把弹性体表面上任一点设为，未弯曲时的位置设为。当弯曲角为时，从到的厚度方向的横向位移为 (2-2)因为弯曲振动的振幅远比弯曲振动的波长小，弯曲角也很小，所以横向位移可近似表示为 (2-3)同样，当弯曲角为时，从到的纵向位移为 (2-4)因为弯曲角可用下式表述 (2-5)故纵向位移近似于 (2-6)因此，横向位移与纵向位移间关系式为 (2-7)可见，上式为二次曲线椭圆轨迹方程。这就证明了弯曲行波是可以形成质点的椭圆运动轨迹的。进一步分析可知它沿椭圆轨迹的逆时针方向运动，椭圆的短轴和长轴之比为。定子表面质点的纵向速度为 (2-8)式中负号表示定子表面质点的运动方向与行波传播方向相反。当转子与定子在行波波峰处相接触，即，若转子与定子间无滑动，转子就获得定子表面质点波峰处的纵向速度。其转子速度为 (2-9)由此可见，旋转行波型超声波电机是利用定子行波波峰处质点做椭圆运动的纵向速度使得转子转动，转子的转动速度即为定子表面质点的纵向速度。通过对上述弯曲行波上质点的椭圆运动的分析，可以得到这样的结论：弯曲行波使弹性体上的质点有一个横向振动分量，即在行波中存在着横向振动波，且与行波的相角差为90o，才形成了质点的椭圆运动轨迹。但这个横向振动波的振幅较小，这对于椭圆运动的合成不利，会直接影响这种行波电机的输出特性，所以提高横向振动振幅是很关键的问题。在以后的分析中，将会提出解决这个问题的方法。(c)(a)图2.3 驻波的形成压电陶瓷弹性体压电陶瓷的变形压电陶瓷的变形电源电源(b)压电陶瓷弹性体2.2 驻波的产生及行波的合成如图2.3所示，将极化方向相反的压电陶瓷依次粘贴于弹性体上，当在压电陶瓷片上加直流电压时，压电陶瓷片会产生交替伸缩变形，如图(a)所示；如果将直流电压反相时，压电陶瓷会产生相反的交替伸缩变形，如图(b)所示；如果在其上加交变电压，压电陶瓷会产生交变伸缩变形，结果可在弹性体内产生驻波，如图(c)所示。旋转行波型超声波电机就是利用两组这样的压电陶瓷片在弹性体内产生两个驻波，这两驻波叠加形成一弯曲行波。如果在A区域压电陶瓷上加余弦交变电压，交变电场可使压电陶瓷按不同的极化方向产生交替的伸、缩变形，结果在弹性体内形成驻波，其驻波方程为 （2-10） 式中，是驻波的振幅，是定子环等效梁的长度，为定子环上一周的驻波数，是交变电压的角频率，是交变电压的初相角，为A相激励电压与弹性体响应间的相位差，与定子阻尼有关，而则是交变电压的频率。类似的，在B区域上加正弦电压，得到另一驻波方程。若该驻波与余弦交变电压在弹性体内所产生的驻波在空间上相差四分之一波长，则其驻波方程(2-11)式中，表示B相激励电压与弹性体响应间的相位差，其余符号意义与式（2-12）相同。利用线性波的叠加原理，将两驻波合成为一个沿定子圆环周向运动的行波，其方程为 (2-12)如果，那么 (2-13)如上所述，在两交变电压作用下，形成了两个在时间上相差相角，空间上相差四分之一波长的弯曲振动的驻波，进而合成了一个沿定子圆环周向旋转的弯曲振动行波，行波使定子与转子相接触的表面质点沿椭圆轨迹运动，而定子与转子接触处的摩擦力就推动转子转动。同理，如欲使电机转子朝相反方向旋转，则应当在A区域压电陶瓷上施加余弦电压，在B区域上加正弦电压，电压形成的驻波方程为 (2-14)这样，两驻波合成的行波方程为 (2-15)表达式（2-15）所表示方程为沿x轴负方向运动的行波，这也就意味着此时电机将朝反方向旋转。由以上的分析可以得出行波型超声波电机的基本特征是：1、定子与转子相接触表面质点的椭圆运动，是由定子弹性体的行波振动形成的。一旦定子制作完毕，工作时该椭圆运动轨迹的长轴和短轴一般不能独立地调整。2、电机工作时，定子与转子始终保持接触，不分离。3、定子与转子的接触位置沿接触面连续变化。4、电机结构尺寸小，旋转方向可以改变，速度和位置容易控制。第3章 行波型超声波电机的理论计算与设计超声波电机与传统电机不同，还未建立起系统的设计理论与方法。超声波电机的关键部件是定子，定子的谐振频率与驱动电源是否相匹配是电机能否正常运转的关键。本章从定子的谐振频率的计算出发，详细介绍了超声波电机的设计过程，同时分析了电机的加工工艺，设计了直径30mm的样机图。设计中，以提高电机的性能为优化的目标，我们还预先设定一些结构参数，而将定子弹性体厚度及压电陶瓷的厚度作为设计变量。3.1 定子谐振频率的计算超声波电机的定子是由弹性体与压电陶瓷粘接在一起的。正因为如此，在分析行波超声波电机的定子振动的谐振频率前，先作如下假设：1.认为弹性体的变形遵守虎克定律，且振动是微幅的，系统为线性的。2.把定子环展成一根等直梁考虑，忽略定子环的曲率效应。3.忽略由于定子环表面的齿槽而产生的非正弦振动分量，认为其振动近似为正弦波。4.忽略定子环振动时引起的径向位移。图3.1 定子环的等效梁模型(a)(b)(c)在作定子环的等效梁分析时可以分两步进行。首先，把有齿槽的弹性体梁等效为弹性体等直梁，等效的原则是按等效前后的动能和势能分别相等，且等效前后梁的高度不变；然后再将压电陶瓷片和弹性体组合而成的定子等效为复合梁。定子环的等效梁模型如图3.1所示。其中，图(a)为梁的结构，为槽的宽度，为齿的宽度，为齿的高度，为未开槽的弹性体的高度，为整个弹性体的厚度，为压电陶瓷片的厚度，为弹性梁的宽度。图(b)为等效前的弹性体梁，图(c)为等效前的复合梁。设弹性梁的驻波波动方程为： (3-1)上式中：驻波轴向位移定子环上驻波的波数定子环平均直径上的周长相应的变分为 (3-2)则惯性力在整个定子梁上所作的虚功根据参考文献为 (3-3)上式中：等效前的弹性体的材料密度；等效前弹性体的截面积； 等效前后梁的宽度把和式（3-1）和（3-2）代入式（3-3）并积分，得 (3-4)其中根据参考文献 (3-5)为等效密度系数。等效成无齿槽的弹性梁，则截面积，此时惯性力在整个定子梁上所作的虚功为 (3-6)可以认为等效前、后惯性力所作的虚功相等，由式（3-4）和（3-6）可得等效密度为 (3-7)由于定子环弯曲振动时对齿的变形影响很小，因此振动时齿的应变能可以忽略不计，此时截面惯性矩根据参考文献可表示为 (3-8)弹性梁由于弯曲产生的应变能为 (3-9)其中等效前的弹性体弹性模量等效弹性模量系数，同理可得等效弹性模量为 (3-10)这时，有齿槽的弹性梁已经等效为高度为的弹性等直梁了。进一步按图3-1中的图(c)，把定子环等效为复合梁。首先要确定中性层和中性轴的位置。由复合梁的弯曲理论可知，在中性层上所有正应力为零。由此可以确定中性层及中性轴的位置。设复合梁上表面距中性轴的距离为h，在梁截面上只有弯矩而没有轴力，因此有 (3-11)其中根据参考文献 (3-12) (3-13)、弹性体等效梁和压电陶瓷片的正应力、弹性体等效梁和压电陶瓷片的应变压电陶瓷片的杨氏模量中性层弯曲后的曲率截面任一点的轴向座标将式（3-12）、（3-13）代入式（3-11），可得 (3-14)其中，为压电陶瓷片的宽度。中性层的位置一旦确定，复合梁的弹性模量和截面惯性矩亦可确定 (3-15) (3-16)其中根据参考文献复合梁的平均密度和截面积为 (3-17)(3-18)由此根据参考文献可得复合梁的固有频率计算公式为(3-19)由式(3-19)就可以求出定子的谐振频率。由上式可知，定子的谐振频率与定子半径二次方成反比，与定子上波数的平方成正比，同时定子的谐振频率还与定子所用的材料特性、定子环的截面积有关。3.2 压电陶瓷换能器的设计和制作 3.2.1 压电陶瓷的设计图3.2 压电体的分极结构由前面对行波型超声波电机运行机理的分析可知，两列在时间上相差90，空间上相差1/4波长的驻波可合成行波。如图3.2所示为压电体的分级结构。“”、“”号表示极化方向，定子上的环形压电陶瓷片按一定规则分割极化后分为A、B两相区，相邻两级空间排列相差/2（1/4波长），并且分别受到在时间上也相差/2的高频电源的激励（E1和E2）。当激励电源的频率等于定子的固有频率时，定子（振动体）产生共振，两区间压电陶瓷所激发的波相叠加，在电机定子中产生沿圆周方向的合成弯曲行波，推动转子旋转，转动方向与行波的传播方向相反。倘若改变所施加激励电源电压的符号，可以使转子反转，十分方便。激励电源可以为正弦波或方波。图3.2中，GND段为接地，作为A区和B区的公共地，S段为用于将两驻波合成为一个行波，也可作为控制和测量用反馈信号的传感器。另外，A、B两相区在空间对称排列，而且每相产生的驻波都在圆环内形成相同的整数个波，即称为波数，图3.2中，波数n=9。 对于压电陶瓷片的厚度，它决定了在一定电压下是否能够起振，根据参考文献如果压电陶瓷片太厚，大于1.5mm，则在通常电压情况下，不易起振。如果太薄，小于0.3mm，则在高频谐振条件下，由于形变过大而容易发生断裂，而且加大加工难度，在样机研制中不易实现。另外，压电陶瓷片的厚度对压电振子的固有谐振频率影响较大，通常我们取其厚度为0.51.5mm之间，本论文样机的压电陶瓷片厚度取0.5mm。3.2.2 压电陶瓷材料的选用压电陶瓷作为超声波电机能量转换的媒介，它起着为超声波电机提供驱动力的重要作用，质量的好坏直接影响电机的性能。因此，压电陶瓷片材料必须满足： 1、介电损耗小，一般小于1%;2、机电能量转换效率高、压电常数大;3、动态抗张强度大;4、性能稳定;5、居里温度高。在具体选用压电材料时，需要综合考虑材料的这些性能参数。基于以上的考虑，本文中选择保定天一代号为TY-8的压电陶瓷材料，它的，居里温度C。可见，它的性能比较符合上面所提出的要求。3.2.3 压电陶瓷的接线方式按照行波产生的机理，本文采用的环形压电陶瓷片的接线方式主要有下面三种不同的连线方式： 1.如图3.3（a）所示，将两片压电陶瓷和弹性体粘接在一起，两个压电陶瓷的电极在空间上相互错开。在两片压电陶瓷上施加相位差90的交流电压，这样两个驻波合成为行波。2.如图3.3（b）所示，在一片压电陶瓷上借助于极化方法的不同将压电陶瓷分成两个部分，两部分在空间上相差。在两部分分别施加时间上相差90的交流电压，这样两部分分别产生的驻波同样可以叠加成行波。 3.在一片压电陶瓷上还可以将压电陶瓷按图3.3（c）所示的方式极化、接线，也可以形成时间上和空间上分别相差90的驻波信号，从而在弹性体的表面形成行波。 在综合考虑以上三种接线方法后，结合实际压电陶瓷片的粘接问题。本文选择了第二种接线方法，如图3.3（b）。在图中区域为行波合成区，此区域利用压电陶瓷的正压电效应可以检测到压电陶瓷的振动情况，可将检测到的信号作为电机控制的反馈信号。(a) (b)(c)图3.3 行波型超声波电机的压电陶瓷片三种接线方式3.3 定子的设计及制作定子弹性体是超声波电机中最重要的部件，它相当于一个振动放大机构，可以对压电陶瓷所产生的微小振动进行放大，获得较大的振动幅度，以驱动转子旋转。行波超声波电机的主要性能取决于定子的振动特性，因而定子的结构设计在整个样机设计中是至关重要的。定子弹性体设计主要包括定子尺寸的选择、振动模态设计、定子厚度设计、齿形齿数设计等几个方面。3.3.1 定子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系超声波电机的输出特性是指输出功率、输出转矩和转速。在同一直径前提下，因所选用的压电材料不同，弹性体材料不同，截面尺寸不同，以及加工工艺所造成的换能系数不同，电机的输出特性而有所不同。因此，很有必要对定子的外径与行波超声波电机输出特性之间的关系做一个研究。1定子弹性体外径与电机输出转速的关系在理想接触条件下，根据参考文献电机的输出转速为：或 (3-20)图3.4 定子外径与电机输出转速的关系100908070605040302010200300100经分析，在同一波数（）前提下，外径与波长成正比关系，谐振频率与波长成二次反比关系（），行波波峰值与波长成三次正比关系（）。综合考虑上述各项因素，可得在同一波数条件下，超声波电机的输出转速与电机外径成一次反比关系，即。如图3.4所示。由图中可知，电机的输出转速随着定子外径的增加而减少。2定子弹性体外径与电机输出功率、输出转矩的关系设电机的输出转矩为，定子与转子间的摩擦力为，施加在定子与转子间的正压力为，滑动摩擦系数为，定子与转子间的接触半径为，定子上的波峰数（波数）为，则可以得到超声波电机输出转矩表达式为 (3-21)其中定转子之间的正压力。超声波电机的输出功率表达式为 (3-22)图3.5 定子外径与电机输出功率的关系2010090807060504030201010由于电机的转速与直径成一次反比，所以输出功率主要取决于定子表面的压力。由参考文献给出 (3-23)上式中为与材料特性、电场特性有关的常数。用与上述相同的分析方法，可得出电机输出功率与直径成正比，输出转矩与二次直径成正比，即，。如图3.5所示。由图中可知，电机的输出功率随着定子外径的增加而增加。3.3.2 定子的内外径尺寸的选择由前面的讨论可以知道定子的直径和超声波电机的输出转速、输出扭矩、输出功率成一定的比例关系，所以可以根据超声波电机的输出特性要求来选择定子的尺寸。但是我们在实际设计过程中，通常定子的内外径和压电陶瓷的内外径相一致，因而可以根据压电陶瓷的内耗大小来确定定子的内径。当内外径比在0.7左右的时候，压电振子的自由振动能量损耗最小，因而设计内径d为外径D的0.7左右。考虑到实际中压电陶瓷的加工的限制，定子的直径一般不大于100m，也不小于10m在实际生产中，正如传统的电机设计那样，往往希望定子的外形尺寸是规约过的，所以定子外径尺寸可选择0或5结尾的尺寸规格。本文综合考虑以上的因素选择和设计了定子的外径为，内径为。3.3.3 定子的振动模态的选择行波型超声波电机定子振动模态的选择要遵从以下两个原则:一是定子驱动的对称性，这决定了电机的振动模态必须为奇数;二是定子的振动频率必须大于ZOHkz，使之工作在超声频段。因为振动模态用于模拟仿真，在这里不多做说明。只是一般在选择上，在材料相同的情况下，大尺寸电机由于重量较大，其模态频率偏低，因此可以选用高阶模态，适当提高电机的谐振频率，如n取9，11等值;尺寸小的电机的模态频率偏高些，可以选用低阶模态适当降低谐振频率，如n取3，5等值，本文初选n=3 3.3.4 定子的齿形齿数设计行波型超声波电机的输出转速关键取决于定子表面质点的椭圆运动，该椭圆运动不仅与激励电压、压电陶瓷材料和结构有关，而且与定子弹性体的结构有关。所以，需要采取措施放大椭圆运动。在定子结构上采取何种措施，来放大该椭圆运动，特别是放大平行于定子表面质点的水平位移，即横向振幅，是改善超声波电机输出特性的一个重要措施。定子上齿槽的作用是放大定子表面振动的振幅，使转子获得较大的输出能量。因此，在定子的接触面采用齿槽结构。根据参考文献的经验公式计算下列数据：1：齿槽宽度，的确定主要与加工刀厚度具有关，齿槽太宽，齿的刚度会降低，使得齿在加工过程中发生变形，齿槽太窄造成加工困难，根据经验和加工刀具的厚度，一般取齿槽宽为0.4一0.6mm范围较为合适。在本文中，根据实际设计需要，选择齿槽宽为0.6mm。2：齿数N的选择与振动模态数有关，同时还要考虑加工过程中铣槽时的分度情况，最好取齿数为振动模态数的整数倍。另外还需要确定开槽的数目，如果齿槽数N是节径n的4或8倍数，并且沿圆周均匀分布，那么特征频率将不分离，这样就会取得比较好的振动效果。齿数太多不仅会增加加工的难度，还将会降低齿的刚度。对于振动模态为3，直径为30mm的超声波电机，选择齿数为36，这样便于分度加工。齿数太多不仅会增加加工的难度，还会降低齿的刚度。3：一般情况下，我们认为定子齿的宽度w远小于定子行波波长兄，在定子内外径尺寸、齿数和槽宽都确定后，齿宽也就唯一确定了，即:根据前面的数据，=15mm；=10mm；N=36；=0.6mm代入上式得；w=1.5mm4: 电机的齿高h，有个最佳值，齿高太大，定子的谐振频率降低，定转子之间的相对滑动和磨损增大，输出力矩降低，且容易产生噪声;齿高太低，齿对椭圆运动的振动幅值放大作用降低，转子的输出速度会受到影响。研究证明，当齿高满足:根据参考文献时，其中h定子厚度，此时，定转子之间的相对滑动和损耗最小。 3.3.5 定子的结构设计本文设计的超声波电机定子的结构如图3.6所示。这种电机定子在定子环内圈有一段比较薄的支撑板，它可以达到径向隔振的作用，而且可以便于超声波电机的固定。由于固定板是固定在机壳上的，不会产生振动，定子支撑的设置又可以减少固定板的约束影响，大大减小电机径向弯曲绕度。这种做法可以在转子上加有较大压力，以得到较大的输出力矩。行波型超声波电机定子支撑部分与振动圆环部分的剖面结构如图3.7所示，h表示定子支撑中心线到定子底端距离，t表示定子支撑厚度，w表示定子支撑宽度。定子的支撑部分设计的厚度一般选择能够满足定子的支撑强度即可，可以选在t=0.51mm之间选择，支撑位置在定子的中间位置。如图3.7所示，为了装配的需要，在定子的下面设计了一个小凸台，上面有三个定位孔，在装配的时候用内六角螺栓将定子固定超声波电机底座上。定子弹性体的加工要注意关键尺寸的精度。为了保证定子的对称性其表征振动体厚度的两个平面间的平行度应在3以上。由于定子齿面和转子相压产生摩擦幅，所以弹性体表面加工的时候要求精度比较高，要研磨。下面需要粘贴压电陶瓷，在加工下表面的时候也要磨削。同时，为保证整机的装配精度，定子与底板的接触面的平面度和粗糙度要求也比较高3.3.6 定子的结构参数对行波型超声波电动机而言，定子的结构是影响行波型超声波电机性能的关键。设计中，本文预先设定一些结构参数，如定子的外径、定子的内径，并参考了一些其他的设计，最终本文所设计的超声波电机的结构参数如表3-1所示。表3-1 行波型超声波电机定子设计结构参数结构参数TRUSM30定子外径(D)30mm定子内径(d)20mm定子齿数(N)36个齿的高度(h0)2.0mm支撑厚度(t)1mm弹性体厚度(H)3.5mm压电体厚度(h)0.5mm厚度比值(h /H)1:73.3.7定子材料的选择由于定子需要与转子紧密接触从而产生摩擦力以推动转子运动，因此定子弹性体表面需要有比较高的硬度，弹性模量较小的弹性材料。因此在选择定子弹性体的材料时，要首先从材料的硬度出发来考虑选择。当然，也不能忽视材料的弹性模量。在本文中，选用的材料是弹性模量较小的纯铜（紫铜），它的硬度与弹性模量均比较符合材料的设计要求。弹性体和压电陶瓷片的材料分别为紫铜和PZT-4，它们的材料属性如下表3-2。根据定子谐振频率简易计算公式(3-19)，结合实际设计的定子结构，就可以计算出定子的近似谐振频率表3-2 超声波电机定子材料属性参数物理量紫铜压电陶瓷PZT-4密度（Kg/m3）弹性模量（N/m2）泊松比8910110E90.31760082E90.22将上面的参数，代入前面的定子的谐振频率计算公式(3-19)计算其谐振频率为f=42.5kHZ，满足超声波电机的频率要求。3.4 转子的设计及制作超声波电机是将定子的振动能通过摩擦传递给转子而使转子旋转的，因而转子担负着输出转矩，并通过它施加定转子间的预压力的功能。在厘米级行波超声波电机中，考虑到转子的低密度、小惯量及摩擦系数等要求，本文选择紫铜作为转子的材料。在进行电机转子的设计时，主要需要考虑的是转子的柔性及定转子的静态径向弯曲配合，并由此确定转子的结构和尺寸。3.4.1 超声波电机转子的柔性要求由定转子接触模型可知，振动的定子与转子间的接触变形对于将齿端的周向振动通过摩擦力转换为转子的运动是非常必要的，并要求在波峰处有一定的接触长度，如图3-11所示。转子通过柔性变形能够减小摩擦接触中的滑动损耗，从而优化电动机的性能。对于图3.8二维定转子接触模型而言，由垂直振动引起的接触压力沿周向按正弦规律变化，定子表面的周向速度也按正弦变化，为了避免与波峰的低速或者反方向的速度区域接触，接触长度略小于半个波长，此时往往由摩擦层的变形来实现定转子的摩擦驱动。Maeno等人分析了刚性硬转子与软转子接触面对电动机性能的影响，指出了硬耐磨表面的转子可以通过其结构的变形获得转子的柔性，能够消除由于高聚物摩擦层振动损耗而损失的效率。其单纯的转子柔性可通过在接触区域采用柔韧的腔结构或者带结构来获得，如佳能公司的环形行波超声波电动机转子结构，也可以通过使用泡沫金属复合物材料的转子来获得。转子的柔性通常可由摩擦层的柔性和转子的结构合成，在垂直振动下可产生变形，从而实现良好的定转子接触。目前大多数的电动机都同时利用转子结构和摩擦层的柔性。如图 3.8 转子柔性与接粗面变形3.4.2 定转子径向弯曲配合由于超声波电机是基于摩擦驱动机理工作的，使用寿命是超声波电机实用化生产的一大障碍，为了提高寿命，可以增加定转子的接触面积，减小预压力，从而降低摩擦层的损耗和增加其使用寿命。为了能够使行波超声波电动机输出很大的力矩，常需要在定转子间施加相当大的轴向预压力，此预压力的施加常通过轴向定转子变形产生，这会使定转子沿径向弯曲，由于径向弯曲的存在，使得定转子的实际接触面积大大减小，压力分布不均匀，定子转子的内径接触方向迅速磨损，如图3.9所示为早期的超声波电机定转子的径向弯曲效应和定子径向磨损情况。 大量的磨损是由于定转子接触面积减小，局部接触压力过大引起的。而且，接触压力使得摩擦材料内部循环应力增大，造成极大的损耗和发热。Minotti等使用ANSYS对定转子接触情况进行了计算，结果表明：存在径向弯曲效应的电动机的局部接触压力是接触区域无径向弯曲效应情况下的10倍以上。如图3.9 早期超声波电机定、转子接触及磨损情况由于定转子径向弯曲效应的存在，需要相应改变定转子结构设计，以配合径向弯曲效应，使定转子能够平行接触。定转子的径向弯曲配合能够增加接触宽度，使接触压力沿齿的整个径向距离均匀分布，极大地降低了局部接触压力，从而显著地减少材料磨损。另外，在保持周向接触比和压力不变的情况下，增加接触宽度，能够使加到转子上的周向预压力显著增加，因而使径向压力分布均匀，并在不增加局部压力和摩擦层磨损率的情况下提高行波超声波电动机的机械性能。根据参考文献考虑定转子径向弯曲配合的定转子结构设计如图3.10所示。该转子结能使磨损均匀分布在整个接触区域，大大降低了摩擦层磨损，且由于压力降低，摩擦层的损耗随之减小 另外，定转子接触表面的加工精度是关系到定子的振动能能否有效地转化为转子转动能的关键，其平面度和粗糙度对电机运行噪声、能量转化效率、运行平稳性等性能影响很大。所以，转子与定子接触的表面要进行研磨，保证表面的平面度和粗糙度。装配时，定转子必须保持面接触，使预压力在整个面上均匀分布。3.4. 摩擦层的设计图3.10 定转子的弯曲配合设计图超声波电机的摩擦材料必须满足：耐磨、耐高温、摩擦系数稳定性好等特点。较大的摩擦系数可以获得较大的输出转矩和较高的能量传递效率，但是如果结构设计或定 转子材料选择等环节处理不当的话，则可能发生磨损率高，电机不稳定等特点。据参考文献摩擦 层最佳的参数选择是：弹性模量300Mpa、厚度为0.2mm、摩擦系数为0.2。3.5 定转子设计的总结对于超声波电机定、转子的校核，不像我们平时学习的电机，有确切的验算数学公式。目前为止，还没有推导出，比较成熟的公式对其进行校核，对于现阶段，我们一般根据经验公式设计出超声波电机的样机结构，在利用仿真软件，对其进行仿真测试，然后判定其是否合格。因为本人在此次论文中，未涉