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y 1109 2627 as in of An to of in a to of to it of a to a to at is 2. to of of of is by of of as as in of of is 1 at be in a A is to at at to 5 be by of or of or of . of or of in To of a to of to a by to be at is of to is of of of an is as an A is as an at of to to to to SM on at is a in of . of a 3. F he of of is to of of an of at to of is in . is a a to of to is of of an is by on of to as a to a A is to a a of to of in a of of is h, is of of is of is to of is b is a. To is is is to in on in a at 4. he of of be s by . 5, et 6). of of be M, C, K, P, G, x , j , , Q x be 5. of of as as to 3-D 6 to be to of it is by EM to be to to 7 is it is on of is as 2, w2 y 1, y 2 of w is to be of by , 1 w nm is m, n q r If we be be by of be of of to 7 be by in a 5. F of to as a of as A a to of of of is is on as , m, n) = (4, 0) is An to to be as be on we an to on to of a is on ). : An : : is is a . in an To of a 1.1 SM in a a as . a to 48oC at is be in to . of a s . a SM 48o C 6. to of a of of to he to W. V, in a in is r. it is a is by a , r. 1. M. I. W. . A , 1991). 2. A. M. et J. 1, 1, (1992), 44 3. E. et of 987 747(1987). 4. J. J. 6, (1995), 71 5. N. W. . of a 42, 2, 1995 210 6. K. T. . , J. 89 (4), 1996, 519 7. D. G. J. 1 旋转型行波超声 电机 帕萨迪纳， 利福尼亚理工学院喷气推进实验室； 科斯塔梅萨， 料质量检测中心，威廉梅兰迪亚。 摘要： 旋转型超声波 电机 逐渐发展为太空飞船的微型驱动器及其子系统。此技术 应用于 有 着 严格要求的商业产品中，为了更加有效地设计此类电机而 采用 分析工具。分析模型用于检测在旋转超声电机 中激励产生的弯曲 行波。这个 有限元分析 模型 为环形 ，被用于 预测环形定子的振动频率和模态响应。此模型给设计高效率的超声波电机提供依据，定子的设计包括齿槽、压电体、定子的几何外形等 方面 ，定子是由他们有机地组合而成。 理论计算值与实验结 果的比较表明这将是一个值得世人所关注的课题。与此同时，超声波电机 还被用于机械臂，他们是否能够在火星的环境下正常运行的研究还在进行中。 关键词： 驱动器， 弹性体，压电电机，超声波电机 ，定子与转子，模态分析。 2. 绪论 当前，美国国家航空和宇宙航行局一直致力于缩小未来太空飞船的体积和减少其质量的研究。 为了与这变化想适应，超声波电机 逐渐成为机械装置简化的一个重要的手段。 传统的微型电磁式 电机 由于 受 制造工艺的限制，一般这类 电机 为了达到速度与扭矩相适应需要使用齿轮减速机构，采用这个将会 增加设备的质量、体积和机构的复杂性，同时增加系统的部件也会降低系统的可靠度。 现在所介绍的旋转压电 电机 将是微型设备中的 未来 潜在驱动装置，这种马达 具有 低速大转矩，堵转力矩高、结构简单 、响应快 等特点，可以将 外形 制成 环形（ 应用于 光学，配线通过中心的电子仪表组件）。目前，一个关于超声波 电机 在宇宙环境中工作情况的课题正在研究中，换句话说，它能够在低温和真空的环境下有效可靠地运行。 超声波 电机 按工作模式划分，可以分为静态和动态两种；按运动方式可以分为旋转式和直线式两种；按执行机构的形状 可以分为梁式、杆式和板式等等。尽管它 们之间有区别，但是他们的工作 原理 都是一样，即利用压电效应产生的激励： 弹性体 （通常与压电陶瓷结合）的细小变形通过 精确静态机构或者动态谐振的方法扩大 。一些超声波马达已经在一些 要求 结构紧凑 和做 间歇运动的领域 进行产业化应用。这些应用包括：照相机的镜头自动调焦、手表马达以及结构紧凑的打字机。传统电磁 电机 为了得 2 到和超声波 电机 一样转矩 速度特性，需要添加齿轮减速机构， 因此 增加 电机 的尺寸、质量和传动装置的复杂性。超声波 电机 有高的自锁力，它能提供 精确 的零位移。 此外，由于这些 电机 是依靠摩擦力矩驱动的，所以在无外力的作用下产生反 驱动， 因此 让人关注的与 其他电机 相比 更高的堵转扭矩。 电机 的组成部件的数量 少代表了潜在故障点的数目 会相应减少 。超声波 电机 的优良特性被人们所看好，将其应用于有着体积小，间歇运动要求的机器人上。 图 1 为超声波电机（环形行波超声波 电机 ）的工作原理。行波 形成于由 环形弹性体 构成的 定子的表面 上，并在转子的表面产生椭圆运动。 定子表面质点的椭圆运动驱动转子和与之相联的轴旋转。在定子表面添加齿 槽 结构是用于 增大振动幅度，以此提高电机的转速。超声波 电机 的运转依靠运动的定子和转子之间的接触面产生的摩擦。这也是设计如何延长接触面的 使用寿命的关键问题。 图 1 旋转型行波超声波 电机 工作原理示意图 3. 工作原理 超声波 电机 一般的工作原理是通过扩大和重复振子的细小应变来产生总的机械运动。 振子引起与转子相接触的定子接触面上的质点产生一个轨迹运动，和在转子与定子之间的分界面产生的摩擦，以此扩大微小运动来产生定子的大运动。这一结构如图 1 所示。振子是压电陶瓷受到激励在定子内部产生行波， 致使定子上的质点做椭圆运动。在置于定子之上的转子上施加预紧力和旋转的定子和转子之间产生摩擦力，依靠这些扩大接触面上的细微应变。此运动的转换过程与齿轮机构类似 ， 产生与 行波频率相比更低的旋转速度。 定子的下层的厚度设为定子粘有一定厚度的一组压电体，这些压电体按照一定的顺序和位置与定子的后表面结合，压电陶瓷的厚度设为厚度为 h ，这是 3 压电陶瓷的厚度与定子的厚度之和（其中粘结层厚度忽略不计）。 整体高度可以随着径向位置变化而变化。定子的外半径为 b ，内孔半径为 a 。为了产生行波，由两个相差四分之一的波长信号构成压电陶瓷的极化方向，这样的极化方式也能被 用来消除定子的范围和最大挠曲。定子上的齿槽在径向位置上成环形分布。 为了在定子内部产生行波，需要同时激励出 两个相同的正交振型。在同一模式中，两个极化节粘于定子上，以此构成由压电驱动器，这就是 模型。从几何学上分析这个模型，结果表明激励出两个 状态分别为 ) )号，将会产 生频率为 /2时，通过改变驱动信号的工作状态，行波的方向也会相应地发现变化。 4. 理论模型 超声波 电机 的运动方程 源 于汉密尔顿原理，这个分析模型被许多学者所推导过（ 比如 A. ）。定子的通用运动方程归纳如下： 式中， M、 C、 K、 P、 G分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、机电耦合矩阵和电容矩阵，矢量 x、 j、 Q分别是模型的振幅、 电势正常外力向量 、切向力矢量和电荷矢量。 振幅矢量 x和其他广 义矢量能够通过能量平衡原理定义，如 理 。但是，这个方法忽略了定子上的齿槽的作用。环形定子也会随着内支撑板径向位置的变化而变化，这可能会导致不合要求的结果出现。 即使 三维 有限元分析方法（ 以精确预测模型的固有频率和定子的瞬态响应特性，但这是一个复杂的计算过程。此外，决定设计模型往往需要通过三维有限元分析软件核实计算响应模型和共振频率。 由于此方法的所提及的缺点，需要改进过去所描述的周期性有限元，这也是基于超声波马达的对称特性。环形有限元如图 2 所示，其中1 2 1 2,w w y 向移动量 w 穿过每个部分，其表现方程如下： 230 1 2 3 1 2( , , ) ( ) c o s ( ) c o s ( ) ,r t a a r a r a r m w t R R 当 式中， 标 m、 n 分别是沿着 q 和 r 方向的模型。当假设横向切力和旋转惯性效应忽略不计，质量和刚度矩阵能按照标准变化理论推导。因此，解决特征值问题可以得到正常频率和模型的外形。 2 ( ) 0 用标准的公式表示，其 中包括了定子齿槽的作用。其他广义坐标的制定细节也和 4 这些类似确定。这些将会在作者以后的出版物中提及。 5. 对压电 电机 的分析 对非线性、定子 转子之间的动态联接模型分析时，主要讨论的内容包括预测 电机 的潜在稳定状态和在临界设计参数的情况下 电机 的运行瞬态性能，比如接触面上的法向力、齿高、定子的径向切面。 有限元的运算法则被融入分析软件中， 型反应出定子的形状、压电陶瓷的极化模式和定子齿的相关参数。一旦选定定子的每个细节，那么模型的响应也确定了。这也可以在电脑中进行实时监测 ，如图 2 所示，此时的模型中的参数已经给定，（ m， n） =（ 4，0） 。利用电子点模式的干涉测量仪验证预测的模型响应特性，结果非常直观，如图 3（左）。 为观察超声波 电机 工作状态一种新的工具，能够在电脑上模拟仿真。该软件能够模拟旋转 电机 中弯曲行波在定子中工作状态（图 4）。 图 2 环形有限元分析模型 图 3 模态响应和共振频率（左图）和实验检测（右图） 采用有限元的分析模型，以此构建马达。表 1 为直径为 寸钢结构定子所预测的振型和精确的共振频率。在此表中的结果显示理论值和实际值 相对吻合，为了 5 图 4 利用动画展示超声波马达的工作原理。 定子以行波的形式运动，转子在定子的上面旋转。 表 1 一个超声波马达的共振频率的理论值和实验值 输入方式 固定频率 测量频率 (m,n) (4,0) 5,0) 6,0) 7 在温度为 48与真空度为 22 10 T 的环 境下， 直径为 寸的超声波 电机 的实验检测到的转矩 速度曲线 6 检测真空和低温对马达的影响。一个直径为 寸的超声波马达在一个低温实验室进行测试，此实验利用 统，实验测试转矩与速度的曲线如图 7 所示。结果表明在进行伺服控制的马达能够在温度低于 48和真空度为 22 10 T 的环境下非常稳定的运行。这一结果是一个鼓励，同时也意味着在未来决定超声波马达能否在火星的模拟环境下运转的研究中还有需要的工作要做。 6. 结论 有限元模型被用来分析超声波 电机 的光谱响应，包括各式各样的外形结构和组成材料的超声波 电机 。 模态响应和预测的共振情况可以利用实验的方法确定，其中有光谱测量法和干涉分析法。此外，还有像 类简单的分析平台的交互式用户界面软件分析超声波 电机 的模态行为。同时还可以用于研究各种定子参数。 致 谢 在此 感谢 空 宇航研究中心 的 ， W V。感谢他 在 作期间给我的帮助本文中结果的原稿从行星灵巧的操作者的课题中获得。这课题 由 责，由加利福尼亚大学喷气推进实验中心出资 ，同时 与美国航天宇航局 签订 协议。 目的负责人。 7 参考文献 1. M. I. W. . A , 1991). 2. A. M. et J. 1, 1, (1992), 44 3. E. et of 987 747(1987). 4. J. J. 6, (1995), 71 5. N. W. . of a 42, 2, 1995 210 6. K. T. . , J. 89 (4), 1996, 519 7. D. G. J. 一、选题的依据及意义 在当今 21 世纪，随着电子信息技术的不断发展和计算机的广泛应用。控制技术同样也得到迅猛的发展。在当前的控制技术中，必然有一个实现驱动和控制的微电机伺服系统，这个系统很大程度上决定了系统整体性能的好与坏。为了使微电机伺服系统达到灵活性、快速性、简便性控制的要求，多年以来，国内外的科技界和工业界一直致力于研究各种新型微型电机。其中，性能卓越的超声波电机利用压电陶瓷逆压电效应产生超声振动，并将这种振动通过摩擦耦合来直接驱动转子和滑块的旋转。这种直接用于驱动的电机从 20 世纪 80 年代以来就深受世界 各国科研工作者的青睐。现已成为机电控制领域的研究热点。 这种电机打破了传统的电机概念，不是通过电场的相互作用将电能转换成机械能，没有电磁绕组和磁路，不以电磁的相互作用传递能量。而是利用电能产生超声振动获得驱动力，通过摩擦耦合将动力转换成转子或滑块的运动。相对于传统的电机而言，它 惯性小、响应快、可控制性好、不受磁场影响、同时本身也不产生磁场、定位精度高等特点 。 它 还 具有重量轻、结构简单、效率高、噪音小、低速大转矩、可直接驱动负载等特性。由于直接驱动负载，避免了使用齿轮变速而产生的振动噪音、间隙以及低效率、难控制 等一些问题。所以说，超声电机是一种全新的自动控制执行元件，也是一种崭新的传统的传动模式，是对传统电磁驱动原理的突破和有力的补充。 超声电机可采用不同的振动模式来产生驱动力，因而可研制出多种不同的超声电机，包括驻波型、行波型，其中又包括直线型、旋转型、纵向振动型、纵 旋转型行波超声电机是所有类型中结构较简单、用途最广泛的一种，也是最有发展前景的一种。 从超声电机的发展历史来看，在 1942 年， 美国的 提出了超声电机的原始思想 。 1982 年，日本科学家指田年生成功研制了行波 超声电机。这标志着超声电机应用到了实际的生产生活中。经过这四十年里的努力，完成了从设想到现实的转变。在当今这个社会，超声电机的应用涉及到 航空、航天、汽车制造、生物工程、化工、医学等领域 。具体有照相机的镜头调焦、驱动装置的精确定位、阀门控制、机器人关节的驱动、核磁共振装置中的应用等方面。正是因为超声电机的独特特点， 它可广泛用于机器人、微型机械的驱动、精密仪器的驱动、强磁场环境下设备驱动装置等 。据有关专家预测：随着超声波电机的卓越性能日益被人们认识和采用，它将在较大程度上替代小型电磁微型电机。同时，超声波电机的 推广应用和它的驱动控制技术密不可分的，只有结合有效的控制方法和控制策略，才能发挥超声波电机的卓越性能。 对于超声电机的研究与开发，将不断完善电机方面的理论知识和丰富电机的产品的类型，并极大地促进工业智能化、自动化的发展。将取代传统的小型或微型电机。并能够在上述领域得到广泛的应用，并促进该领域的技术革新。因此，对超声电机的研究有着非常重要的科学意义，同时还有广泛的应用的前景和良好的实用价值。 二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述） 超声波电机是国内外日益受到重视的一种新型直接驱动电机。与传统的电磁式电机 不同，超声波电机没有磁极和绕组，不依靠电磁介质来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过各种伸缩振动模式的转换与耦合，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或者滑块的宏观运动。在其研究和发展过程中，曾有很多不同的命名，如振动电机、压电电机、声表面波电机、超声马达等，现在国内比较常用的称 谓是超声电机或超声电机。超声波电机具有功率密度大、无电磁干扰、低速大转矩、动作响应大、运作无噪声、无输入自锁等卓越特性，在非线形运动领域要比传统的电磁电机性能优越得多。超声波电机在工业控制系统、启齿专用电器、超高 精度测量仪器、办公自动化设备、智能机器人等领域有着十分广阔的应用前景，近年来备受 科技界和工业街的重视，是当前非连续驱动控制领域的一个研究热点。 日本的超声波电机及其驱动控制的产业化应用处于世界领先的地位，它掌握着世界上大多数的超声波电机的制造与控制技术的发明专利，几乎所有的知名大学和研究所都在进行研究，如东京大学、东京工业大学、东京农工大学、山形大学等都至少有一个属于本校的超声波电机研究小组 ，或 进行理论分析研究、 或进行新原理、新结构的超声电机的研究、或 进行超声波电机控制专用芯片的 集成。日本参与研发、商业制造及销售的大公司 更多 ，如佳能公司、新生公司、本多公司、松下公司 、美能达公司、尼康公司精工和 司 等 。近 10 年，日本的超声波电机进入了实用化的商业应用阶段。 由于日本在超声波电机及驱动控制领域所获得的极大成功和较高的商业利润，美、英、法、德等国不甘落后，紧随日本之后，各自在相关的超声波电机及其驱动控制、新结构、新原理、新的应用领域等方面取的了一定的研究成果。 美国的密苏里大学 （ 要从事电机工作时定子与转子之间的接触模型以及接触力对电机寿命影响的研究，并 同 司合作进行行波超声波电机加工工艺及其控制技术的研究。 航空航天系和人工智能中心研制出直径仅为 2超声马达 ，还开发了具有双齿面的行波型超声马达。同时与美国国家航空宇航局（ 喷气推进实验室、材料研究室共同研究开发了用于火星探测器操作臂关节驱动的大力矩超声波电机。 英国的伯明翰大学（ 要从事基于“谐波齿”理论的超声波电机的研究，以及实现超声波电机高精度的定位控制、探索开环的可控性等研究。 德国 学的 领导的科研小组主要从事超声波电机振动分析和动态接触等方面的研究 ，如：线性、旋转行波电机的振动分析和动态接触问题，电机的线性和非线性振动稳定性问题，电机运动的控制问题，复合材料的动态特性以及结构的阻抗匹配研究等。 法国的 究所借助光学干涉仪及电测量的方法，对所研究的线性电机定子的切线振动位移、法线位移、切线振动速度、法线力因子做了系统的测试和评估。 另外， 还有 许多 国家 陆续参与 到研究超声波电机 及其驱动控制技术的研究 中来。但是，目前大多数其他 国家主要 侧重于 驱动控制 技术的研究和实际应用。 国外超声波电机获得成功应用被多次报道，因而在 20 世纪的 80 年代末期到 90年代的初获得我国科学工作者得关注。虽然我国超声波电机及其驱动控制技术得研究起步较晚，但发展迅速。 1986 1990 年间，四川压电与声光技术研究所得刘大春、刘一声等人将日本得有关超声波电机得研究情况陆续介绍到国内。 进入 20 世纪 90 年代以来，随着国内得科研人员从国外学成回国，国内的超声波电机得试制工作 逐步进入正轨，国内除了东南大学外，有多个高校加入到超声波电机的研究行列，主要有 清华大学、南京航空航天大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等国内著名高校，还有中科院、电子工业部 21 所、长春光机所等科研院所，对典型的几种 超声波电机的运行原理、数学建模、仿真计算、样机制作、驱动技术 及恶劣测试 等进行研究，并取得一大批的研究成果。现在国内有 压电与声光、现代科技译丛、国际科技消息、微电机 等刊物介绍超声波电机。 东南大学研制的系列行波型、步进型和柱状夹心式超声波电机样机水平已接近使用要求，直径为 100 的均压行超声波电机及超声波电机多功能驱动控制装置分别获得国家专利；南京航天航空大学研制 出多种结构型式的样机，如环形行波型超声波电机、双面齿型、圆板型、驻波型超声波电机；清华大学则研究了目前国内直径最小（ 1）的超声波电机，有望在心脏的微循环系统中应用，环形中空用超声波电机的样机已进行优化设计；浙江大学研制了大力矩和高重复定位精度的纵扭复合型超声波电机；华中科技大学研制了大扭矩行波型超声波电机并对转子尺寸和形状对输出功率和输入转矩得影响作了深入的研究。国内所研制 的超声波电机已接近实用要求并渴望逐步实现批量生产，有些拟用于军工的导弹引导装置，有些电机的产业化应用前景被国内大型企业和传统电机生产厂 家看好。 三、研究内容 设计一台直径为 60板式旋转行波超声电机 ，要求 (1) 定子外径为 60作振动模态为 态频率在 41 3 间； （ 2）额定转矩 m，堵转力矩 m，最大输出功率 3W； （ 3）额定转速 50 r/速范围 10100 r/ （ 4）质量 m 300g，外观尺寸 l b h7000 （ 5） 工作温度 T ，适应环境温度为 25 5 （ 6） 启、停响应时间 ； （ 7）工作电压为 130 四、研究方案（技术路线） 及 及优化方案 研究路线 ： 根据需求，提出性能指 标 初步确定定子的机构 对定子进行动态分析 工作频率是否合适 是否无模态混叠 合理设计转子 仿真结果是否满足 性能指标 电机性能仿真 试制实验 优化 方案 ： 在超声波电机的定子固定频率和工作模态的计算方面， 利用解析法和有限元分析理论进行求解，并结合 限元分析软件进行模拟仿真。 五 、目标、主要特色及工作进度 目标： 通过 超声电机中定子 与转子 设计和其他 相关 方面的研究，设计出来一台符合要求的超声电机 。 主要特色： 超声电机一种具有全新原理和结构的新概念电机能量转换装置超声电机利用压电材料（通常是压电陶瓷）的逆压电效应，借助于定子弹性体的弹性谐振作用把电能转换为微米级幅度的机械振动，再通过定子与转子（或动子）之间的界面接触过程和摩擦作用把定子的微幅振动转换为便于为人们利用的转子（或动子）的宏观转动（或直线 运动），并在这个过程中实现电能到机械能的转换。 工作进度： 1. 查阅相关资料，外文资料翻译（ 6000 字符以上），撰写开题报告。 第 1 周 第 2 周 3. 初定定子的结构 尺寸， 选定 定子 工作模态； 第 3 周 第 4 周 4. 电机主要部件（定子、转子）的设计与计算； 第 5 周 第 8 周 5. 绘制电机 的 装配图及其各零件工作图； 第 9 周 第 12 周 6. 定子加工的工艺编制； 第 13 周 7. 撰写毕业论文 ； 第 14 周 第 16 周 7. 答辩准备 及 毕业答辩 。 第 17 周 六 、参考文献 1 胡敏强，金龙 . 超声波电机的原理与设计，北京：科学出版社， 2005 2 赵淳生 . 超声波电机技术及其应用，北京：科学技术出版社， 2007 3 尹燕丽 . 超声马达及其驱动控制系统 . 洛阳工学院硕士学位论文， 2004 4 贺红林 . 超声电机及其在机器人上的应用研究 . 南京航空航天大学博士学位论文， 5 石斌 . 环形行波超声马达及其驱动控制的研究 . 东南大学博士学位论文， 2001 6 上羽贞行，富川义朗 . 超声波马达理论与应用 海科技出版社， 1998 7 赵淳生 . 21 世纪超声电机技术与展望 . 振动、测试与诊断， 8 陈永校，郭吉丰 . 超声波电动机 . 杭州：浙江大学出版社， 1994 9 胡敏强 超声电动机的研究及其应用。微特电机， 2000，（ 5）： 810 赵淳生，李朝东日本超声电机的产业化，应用和发展振动，测试与诊断，1999， 19（ 1）： 111 of of in of 003(38):14312 et of 2003 A 107:16913 A. M. et J. 1992,1(1): 44 60转行波超声电机 设计 及工艺 学生姓名 ： 张俊华 班级： 078105236 指导老师： 贺红林 摘要： 超声电机 是利用 压电陶瓷的 逆 压电效应， 激励弹性体产生谐振作用，把电能转换成微米级振幅的振动，再依靠定子和转子之间产生的摩擦耦合将这细微振动扩大为转子及与之相联的轴的旋转运动。 与传统电磁电机相比 ，具有 质量小、结构简单、效率高、噪音小、低速大转矩和可以直接驱动负载等特 点 。 在航空航天、精密仪器、生物医学与许多重要领域等具有广阔的应用前景。 适应 于工程上对超声电机的需要， 本文 设计了一种 直径 为 60转型行波 超声电机 ，主要 完成了以下工作 ： 1. 总结分析 了国内超声电机技术的现状、发展及所存在的问题 ； 2. 阐 释 了 旋转 行波 超声电机 的运动机理； 3. 利用 件建立了超声电机定子的数学模型，利用模型对定子的工作模态进行分析并计算 ，确定了 60径 超声电机 的定子的工作模态； 4. 完成 了 60径 超声电机 的 装配图和零件图的设计 ; 5. 编制 了定子的机加工工艺。 关键词： 超声电机 模态分析 设计 指导老师签名 ： 0mm by 078105236 it of by to To to it of of on at at to in a of to of In a 60mm 1. of of 2. To of 3. of a of of to a 60mm of 4. a 60mm of 5. of of of 1 目 录 1. 前言 述 （ 01） 声电机 的定义 （ 01） 声电机 的特点 （ 01） 声电机 的应用 （ 03） 声电机 技术 的发展及其研究意义 （ 04） 声电机 的 发展过程 （ 05） 究超声电机 的意义 （ 08） 声电机 的分类 （ 08） 文主要研究的方向和内容安排 （ 08） 2. 旋转行波超声电机 的工作原理 言 （ 10） 转行波超声电机 的工作 原理及其结构 （ 10） 转行波超声电机 的工作原理 （ 10） 转行波超声电机 的结构 （ 11） 转行波超声电机 的运动机理分析 （ 11） 电陶瓷 与压电振子 （ 11） 电陶瓷的极化 配电装置 （ 13） 曲驻波的产生过程 （ 14） 曲行波的 产生过程和 运动分析 （ 16） 声电机 定子表面质点的运动分析 （ 18） 章小结 （ 20） 定子模态分析 计算 言 （ 21） 子固有频率的理论计算 （ 21） 振频率的计算 （ 21） 振振幅的计算 （ 23） 子 建模与计算 （ 25） 介 （ 25） 2 子建模 （ 25） 子的 （ 27） 章小 结 （ 29） 4. 旋转行波超声电机 的结构设计 言 （ 30） 声电机 的设计流程 （ 31） 子的结构设计 （ 31） 子内外径的选择 （ 32） 动模态的设计与模态阶数的选择 （ 32） 子厚度的确定 （ 33） 子齿的设计 （ 33） 子内支撑板设计 （ 34） 结层对定子振动特性的影响 （ 34） 子的设计 （ 34） 擦 层的设计 （ 35） 声电机 的设计 结果 （ 36） 式 旋转行波超声电机 的装配结构 （ 37） 章小结 （ 39） 5. 定子的 机 加工工艺 设计 析 零件的作用 （ 40） 工对象材料分析 （ 40） 子 材料 （ 40） （ 40） 件的技术要求 （ 41） 艺要求 （ 41） 术依据 （ 41） 成类型的确定 （ 41） 定定子的工艺路线 （ 41） 艺路线方案一 （ 42） 艺路线方案二 （ 42） 3 艺路线方案 三 （ 43） 定切削用量 （ 43） 具的选用 （ 44） 6. 全文总结 （ 46） 致谢 （ 47） 参考文献 （ 48） 附录 （ 49） 南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 1 1. 前言 述 声电机 的定义 超声电机也称为超声 马达 ，是利用电能产生超声振动来获得驱动力，通过摩擦耦合将驱动力转化成转子或滑块的运动，根据 田年生）的定义：超声马达是一种利用在超声波频率范围内的机械振动作为驱动源的驱动器。其英文名字为 称 声电机 的特 点 超声电机 （ 一种新型的直接驱动型微型电机，相对于传 统的电磁电机而言，其原理完全不同。从而在实际使用过程中，超声电机 具有很多不同于传统电磁电机的特性。主要的区别在以下几个方面： 能量转换过程 传统电磁电机的定子和转子都是刚体结构，两者之间存在空隙，没有物理接触。一般而言，输入电源功率由流经定子或者转子的线圈的电流产生气隙磁场，磁场再将力施加到转子上，从而获得机械功率的输出。由此可知，传统电磁电机的电能转化为机械能的能量转换过程是通过电磁感应实现的。当不考虑定转子中磁性材料的饱和和磁滞，能量转化过程 是线性可逆的，能够反过来产生电能。 超声电机及的定转子是直接接触，靠摩擦驱动。通常，在超声电机 的定子上都黏结有压电陶瓷元件，对压电陶瓷元件上施加交变电压，能够激发出定子弹性体的机械振动，此振动通过定 子与转子之间的接触摩擦转化为转子的定向运动。由此可知，在超声电机 中存在两个能量转换过程。一个是压电陶瓷和定子之间的机电能量转换，它是通过逆压电效应实现的，另外一个是定子与转子之间的机械能量的转换，它是通过摩擦耦合实现的。当忽略压电陶瓷和弹性材料的滞后效应，定子的自由振动和压电陶瓷机电能量转换也是线性可逆的，反过来 也能产生电能。 机械特性和效率 电磁电机的一种典型类型是直流（ 机，其转矩 转速和效率 转速曲线如图 1.1(a)所示。 转矩 转速和效率 转矩曲线如图 1.1(b)所示。对比两者的机械特性曲线和效率曲线，不难得出如下结论： 有类似于 机的机械特性， 机的最大效率在小转矩、大转速（接近空载速度）附近，而 最大南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 2 (a) 机转矩 /效率 速度曲线 (b) 机转矩 /效率 速度曲线 图 机和 机的转矩阵 速度曲线 效率是在低速、大转矩附近。换句话说， 合于高速运转，而 合于低速运转。 响应特性 电机能否用于定位控制系统在很大程度上取决于电机启停时的 瞬态响应特性。应用闭环位置和速度反馈能够将定位最终控制在纳米级精度范围内，但是响应时间和频率限制却取决于电机和传动机构的动态特性，一般是由输出转矩和转动惯量表示的。 电磁电机具有转速高、转矩小、转子惯量大等特点，响应时间常大于 10会随着减速箱的增加而增大。由于响应慢，电机启停角度很大，通常是转动的一部分。 有转矩大、空载转速低、转子惯量小等特点，响应时间常小于 1速响应需要以 100更高的频率采样的电机才能获取减速过程。在这些瞬态运动中，转子位置以 的数量级变化，这个小角 度就能解释 闭环控制中实现几个纳米的分辨率。快速响应性极大地增加了闭环系统的稳定性，使得定位调整频率高达 1传统的电磁电机仅能达到 100右。 通过以上的分析可以知道超声电机 与传统电机的区别。作为一个新的技术，有其特有的性能： 低速、大转矩； 无电磁噪声、电磁兼容性好； 动态响应快、控制性能好； 断电自锁； 运行无噪音； 微位移特性； 南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 3 结构简单，设计形式灵活、自由度大，易实现小型化和多样化； 易实现工业自动化流水线生产； 耐低温、真空，适合太空环境。 超声电机 经过半个世纪的发展，在 众多科学家的努力，完成了从理论到实际应用的转变。 超声电机 具有以上优良特性，但由于工作机理及其他方面的原因， 超声电机存在一些不足，主要表现在以下五个方面： 目前超声电机的寿命相对较短； 随着环境温度和自身工作温度的升高，压电陶瓷的物理特性会发生一定的变化，从而会导致电机的参数发生一定漂移，致使电机的性能出现一定改变； 需要专门设计两相驱动电源进行驱动且对电源有特定的要求，这就使得超声电机的驱动电路较之传统电机要复杂得多，另外，较大尺寸驱动电源也限制了超声电机在某些领域中的应用； 超声电机的速度与控制变量间呈现 较强的时变非线性关系，这给超声电机的控制带来了不少困难； 价格仍比较贵。 必须指出的是， 虽然超声电机存在一些不尽人意之处，但其卓越的性能是传统电机所无法比拟的。 同时，上述的某些所谓的缺点或不足也并非超声电机固有的，随着超声电机研究的不断深入，其中的一些缺点将逐渐地被克服掉，比如现今的 旋转型行波 电机与早期的相比其寿命已有成倍的提高，完全可以满足一般工程应用中长时间工作的要求；驱动电源的微型化方面也已取得了实质性的突破；超声电机的频率跟踪技术已能保证行波超声电机在长时间内连续稳定运转。 因此在研究与应用超声电机时 ，都必须设法充分发挥其优点，同时尽可能避免或弥补其不足，做到取长补短。 声电机 的应用 因为超声电机 有别于传统电磁电机，并且具有优良的性能。如结构简单、体积小、无电磁干扰、定位精度高等。因为这些优良性能， 超声电机 被认为在机器人、计算机、汽车、航空航天、精密仪器仪表、伺服控制等领域有广阔的应用前景，现在有些领域已经得到成功的应用。 1. 照相机调焦； 1987 年，日本的佳能公司（ 超声电机 应用于 列照相机的配用的 L 等镜头中。其后，其他照相机制造商也纷纷加入研究超声电机 在照相调焦的应用，如尼康 (。使用超声电机 的镜头有静音、定位精度高、调焦时间短、无齿轮减速机构等特点，南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 4 所以其结构简单，重量轻。 2. 太空人机器人中的应用；太空机器人对电机有着特别的要求，即轻重量、大转矩、能在超低温环境下正常工作等。美国国家航空宇航局（ 下的喷气推进实验室（ 发出的环形行波 超声电机 用于太空行走微型机器人的微型仪器机械臂（ 微型桅杆式机械臂（ 。 3. 精密定位装置和随动系统中的应用；因为超声电机具有定位精度高、断电自锁的特点，所以还可以用于精密定位装置，如坐标平台的驱动源。其启停响应快的特点很适合随动系统，如在导弹导引头装置中应用。 4. 民用装置中应用；因为超声波具有噪声小、体积小的特点，所以窗帘的驱动元件。特别适合在办公场所、医院、宾馆、剧院、图书馆等对噪声低要求的地方。 5. 阀门控制；超声电机 不需要减速机构就可以实现低速运行，因而在各种阀门中有其广阔的应用前 景。特别是它的自锁特性和快速响应特性，可用于阀门的精确流量控制。 6. 扫描电子显微镜（ 料架的驱动；在 真空试料室中的试料架位置是需要人为调节的，这一部分正好在电子束的下方，所 以不能使用电磁式电机，在以前，仅仅依靠手动控制。现在利用超声电机 ，可以减少许多的传动机构，同时还可以减少了故障和手动的误差，并能与计算机连接实现自动驱动。 7. 核磁共振装置中的应用；东京的西门子旭医疗器械公司把三个 超声电机 用于核磁共振装置（ 线圈调整装置上。 用 2 特斯拉以上的强磁场，传统的电 磁电动机无法在这样的强磁场中运转，并且 求不能有扰乱磁场的磁性体接近装置。在这样的情况下，不产生磁场也不受磁场干扰的 超声电机 是最为合适的。 8. 微位移 超声电机 ；这种微位移 超声电机 适用于微小位移运动，以钠米级位移驱动，常用于显微镜或者扫描隧道显微镜，以及用来做光栅衍射刻线、干涉光谱仪扫描、天体星座图象分析和检测、高精度位移检测及分子测量设备中。 超声电机 已经或准备应用的场所越来越多，如前面所述。在国外， 超声电机 已经进入了产业化生产中。在国内，这仍然是处于一个相对落后的水平，国内的许多高校和科学研 究所也正积极进行攻关，希望能在不久的将来超声波在我国的应用领域更加广阔，更具有普遍性。 声电机 技术 的发展及其研究意义 南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 5 图 A. W. 超声电机设想 声电机 的发展过程 1942 年，美国学者 A. W. 请了第一个 超声电机 模型的专利，其结构如图 示，四片压电陶瓷分为两组粘贴在截面为正方形的长条弹性体的两个侧面上，对其施加两相相位差为 90的交变电压激励，能够在长条弹性体中激励起两个方面和频率相同的弯曲震动，从而在弹性体端部质点做椭圆摇摆运动，此椭圆摇摆运动 就可以驱动压在其上的转子或 者移动体。这个模型和当今的杆式超声电机 的工作原理相似，但是由于当时的材料，技术水平等原因的制约，没能把模型变成样机。 随后的一段时间，科学家研制出新的压电陶瓷，比如 1947 年的 S. 现了在瓷上加直流偏压，会呈现强的压电效应。 1954 年贾菲等发现锆酸铅（ 有良好的压电和介 电性能。随着后面压电材料的不断丰富，科学水平的发展，对于超声电机 的研究也得到更近一步的发展。 1961 年，日本的 表公司发明了一种利用音叉的往复位移拨动棘轮而获得驱动的钟表（如图 示），一个月只产生一分钟的误差，在当时的十年中，这个技术可谓是世界领先水平。造就了 超声电机 样机的雏形。 1963 年，前苏联的 M. E. 计了一台利用轴向、弯曲耦合振动的振动片型 超声电机 ，并根据振动合成和间断接触理论解释了 超声电机 的工作原理。其后一年，前苏联的 V. V. 用压电陶瓷片制作了世界上第一台旋转型超声电机 ，并运用等效电路的方法分析了压电陶瓷片的振动。 1972 年，德国西门子公司和日本松下公司研制了利用压电谐振工作的直线驱动机械，其频率达到了几十千赫 兹，遗憾的是因为振幅过小，无法获得大的转矩和输出大的功率。所以不具备很大的实际运用价值。松下公司为此电机申请了专利，这也是 超声电机 首个有专利的样机。1973 年， 司的 H. V. 出了别具一格的 超声电机 ，如图 示。该电机的左右有两个楔形超声振子，两个角型驱动足由 供振动，它的前部放置于转子上，并保持摩擦接触。工作时，当左边的振子收到电压激励时，转子顺时针转动；南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 6 当右边的振子收到电压激励时，转子逆时针转动。此电机可谓是驻波 超声电机 的雏形。与此同时，前苏联的 V. V. 人也研究出与 H. V. 图 叉钟表驱动机构示意图 图 H. V. 明的 超声电机 原理相同的 超声电机 ，相对于 H. V. 明的 超声电机 而言，结构更为简单，并且成本低、低速大转矩、单位质量功率大、运动精度高、能量转换效率高等优良特性。1987 年，前苏联的 科学家成功研制了一种能够驱动较大负载的 超声电机 。其工作原理是利用振动片的纵向振动和弯曲振动，再通过摩擦耦合，把机械能传递给转子。 1980年，日本的指 田年生在 研究基础上，成功制造出一种振动片型 超声电机 ，也就是现在所说的驻波型 超声电机 ，该电机的定子是由 振子和薄振动片组成，其工作频率为 动电压为 300V，输入功率为 90W。输出扭矩为 械输出功率为 50W，转速达到 2000r/率为 55%。此电机也成为第一台能够满足实际应用的 超声电机 。但是因为其振动片几乎与转子相垂直，使得电机只能单向运行，而且在使用过程中，磨损严重。 1982 年，指田年生又发明了行波型 超声电机 。此电机实现了断续点接触变换成 多点连续不间断接触推动转子运动，解决了磨损严重问题，成倍延长了电机的使用寿命。 1985 年，其发明者在美国为此电机申请了专利，并系统的阐述和分析了 超声电机 的结构及振动原理。这也是当今行波型旋转电机的基础。性能也大幅提高。值得一提的是 1987 年，松下公司的伊势等人在指田年生的研究基础上，在定子结构上做了一个改进，在定子上增加了梳齿结构。研究表明，这个结构的改进对于定子的刚度影响不大，而且能够扩大定子振动的振幅，大大地提高电机的效率。这样的结构也被现在大部分 超声电机 采用。随着 超声电机 的研究不断深入，在各行业的应用 也逐渐开始，与此同时，美国及西欧一些国南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 7 家如德国、英国、法国、土耳其，亚洲的韩国、新加波等国相继加入到超声电机研究行列中。尤其是美国，一大批公司多所大学都开展了超声电机研究，其中，特别值得一提的是，美国的滨夕法尼亚（ 学在 1994 1998 年间投资 美元从事压电材料和超声电机的研发，美国 航空航天学院 空间 研究中心和电子科学系的人工智能研究中心也从事了超声电机方面的研究。对于 超声电机 仍在继续 。 在国外已经将超声 电机应用到实际的生产中时，其影响也逐渐被世人知晓。在上个 世纪的 80 年代末期 90 年代初期，我国的科研工作者逐渐对这个新兴技术关注。许多的科学家通过留学期间的学习，把这项技术的研究情况逐渐介绍到国内，并在国内的一些研究所中进行攻关。直到 90 年代中期，我国才真正开始 超声电机 样机的试制。其后，国内的许多高校也纷纷开始加入研究 超声电机 的行列。主要有东南大学，清华大学、南京航空航空大学、浙江大学等等国内著名高校。虽然起步时间晚，但是经过这几十年的研究，在运行原理、数学建模、仿真计算、样机制作以及驱动技术等方面取得一些成绩。 其中有由 南京航空航天大学赵淳生院士领导的精密驱动研究 所，该所自 1995 年成功研制出国内首台能实际运行的环形行波超声电机以来，先后研发出 16种具有自主知识产权的新型超声电机，其中，包括了 列圆板式旋转型行波电机、 杆式旋转型行波电机等两个系列产品以及直线型、纵扭型、多由度、非接触超声电机等多种超声电机。 虽然国内近年对于超声 电机的研究不断深入，但是与美国、英国、日本等国仍存在很大 的差距，望此技术的科研工作者多向外国学习，发展与完善我国在超声 电机制造技术领域的理论知识和应用领域，缩小国内外的技术差距。 纵观超声 电机的发展过程，可以分为以下三个阶 段： 超声 电机概念阶段；标志为 1942 年，美国学者 A. W. 出超声电机 模型；此阶段为 1942 年至 1970 年，主要是进行理论研究和实验室原理样机研究。 超声 电机样机阶段；标志为 1972 年，德国西门子公司与日本松下公司研制的直线驱动器。此阶段为 20 世纪 70 年代至 80 年代中期，此时已经开始进入实用产品的研制。 超声 电机产业化生产及应用阶段。 1987 年下半年，超声电机开始实际应用，将超声 电机应用于扫描隧道显微镜而获得了 诺贝尔物理奖。此后由指田年生创办的新生工业公司开始出 售行波超声 电机。 南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 8 声电机 的研究意义 超声电机突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不以电磁的相互作用来传递能量。与传统的电磁电机相比，它惯性小、响应快、可控制性好、不受磁场影响、同时本身也不产生磁场、定位精度高等特点。特别是它具有重量轻、结构简单、效率高、噪音小、低速大转矩、可直接驱动负载等特性。由于直接驱动负载，避免了使用齿轮变速而产生的振动噪音、间隙以及低效率、难控制等一些问题。所以说，超声电机是一种全新的自动控制执行元件，也是一种崭新的传动模式，是对传统电磁驱动原理的突破和有力的补充 。有专家预言： 21 世纪将是超声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。 自 20 世纪 80 年代超声电机开始逐渐步入工程实用化以来，在短短的不到二十年的时间里，从民用照相机自动聚焦系统到航天的“火星旅游者”中的驱动装置，从微型机械中的执行器到超导悬浮列车、从高级轿车到核磁共振医疗装置，超声电机无处不在发挥着其重要的作用。而超声电机目前良好的发展势头，使我们更有理由相信，随着 术的日臻成熟以及 越性能逐渐为人们所认识，在不久的将来，超声电机必将在更多的领域、更 大的范围内逐渐取代传统小型、微型电磁电机的应用，将在国民经济的众多领域以及人们的生产、生活中发挥出越来越重要的作用。总 而言之， 深入进行超声 电机的研究不仅具有重要的理论价值，而且具有重要的实际意义。 声电机 的分类 超声电机种类繁多，目前尚无系统而统一的分类方法，因此，可以从不同角度对其分类，例如，根据超声电机利用的机械波的不同，可以分为行波型和驻波型两大类；根据其输出运动的不同，可将其分为旋转式和直线式两类，且各自都有行波型和驻波型；对于直线型超声电机而言，根据动子的工作方式不同，又有自行式和非自 行式。考虑到超声电机的工作原理主要是利用了弹性体的超声振动，以其振动的特定模式（如弯曲、扭转、纵振、以及平面内的径向振动等等）为标志来进行分类比较能反映超声电机的特点。 文主要的 工作 安排 本文的研究对象是超声 电机和超声电机的基本设计问题，首先介绍 超声电机的国内外研究现状以及目前还存在的问题和 超声电机 的发展过程；其次详细的介绍超声电南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 9 机的工作原理以及它的特点和分类，同时介绍了超声电机的应用和范围；再次针对超声电机的原理和特点，利用解析法和有限元分析两种方法对 超声电机 中定子的振动模态以及固有频率进行计算 ，并对两种方法进行比较；最后根据 超声电机 的设计要求，对超声电机的基本参数、材料进行分析与选取，从而设计出达到所规定要求的 超声电机 。 南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 10 2. 旋转 行波 超声电机 的工作原理 言 旋转行波超声电机 是依靠定子弹性体内部产生的行波。并通过转子和定子之间的耦合摩擦获得力矩，从而驱动转子运动。相对与传统的电磁电机而言，这种电机是一种新的技术，一种革新。在本章中，将结合几何分析法与运动分析法对 超声电机 的工作原理进行分析，为后续的设计 工作 奠定基础。 转 行波 超声 电机 的工作原理及其结构 转行波超声电机 的工作原理 旋转行波超声电机 （ 写为 为 超声电机 一种重要的形式，同时也是当前应用最为广泛的 超声电机 。故名思意，旋转行波超声电机 是产生行波，从而驱动电机转子做旋转运动。示，由图可知，定子的端面上粘贴有布置适当的 A、 B 两组压电陶瓷片。行波过程具体为：在 A、 B 两组压电陶瓷分别施加两相相差为 90的同频率、等幅值的交变激励电压信号，由于压电陶 瓷的逆压电效应，则会在定子上激励出两个在时间上和空间上分别相差 90的同频率，等幅值的驻波弯曲振动，两驻波在定子中进行线性叠加后，便形成了所谓的弯曲行波。当行波形成之后，则会使处于定子表面的质点做椭圆运动，即定子表面质点的轨迹为椭圆。再根据定子与转子（动子）之间的耦合摩擦作用将定子表面质点的椭圆运动转化为动子（转子）的往复运动（旋转运动）。 如图 超声电机 工作原理图。 由此可见，行波电机的工作过程可以分为两个部分：一部分为压电陶瓷的逆压电南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 11 图 旋转型 超声电机 展开图 效应激励定子振动；另一部分为定子与动子（转子 ）之间的摩擦传递与转换。考虑到定子、动子（转子）的结构的多样性，就出现许许多多各式各样的 超声电机 ，如定子设计为直线导轨型，即 为直线式行波超声电机；当定子和转子设计为圆板式结构，就变成了 旋转行波超声电机 ，其工作原理图如图 示。 转行波超声电机 的结构 旋转行波超声电机 的主要工作部件包括定子、转子和其他电机附件，结构的展开图如图 2. 2 所示。从图上可以 看出，定子由压电陶瓷片和定子弹性体两 部分组成，两者是依靠粘结剂粘结在一起。 定子是超声波的核心工作部件，因此，定 子的设计是 超声电机 的设计 主要任务， 其次是转子的设计，转子需要保证在与定 子相对运动过程中产生足够的摩擦，所以 在转子与定子的接触面上需要附着一层摩 擦材料。另外还有其他电机附件，如加压弹簧、滚动轴承、用于放置定子的定子座和电机盖，这些都是 超声电机 不可缺少的部件，每个部件有其特殊的功能，比如放于转子之上的加压弹簧，这个部件是为了在定子与转子之间需要有一定的轴向预压力，才有可能产生驱动转子运转的切向摩擦力。此电机的结构简单，体积小，输出力矩及输出的转速的范围大，扭矩与体积的比值也大。 转行波超声电机 的运动机理分析 电陶瓷与压电振子 压电陶瓷是 超声电机 中所使用的特殊材料，是用于将电能转化为机械能的元件。定子表面的质点做椭圆运动也是由于压电陶瓷的逆压电效应激励的，压电陶瓷的电能与机械能的耦合是 超声电机 的运行基础。可见压电陶瓷对于 超声电机 的重要性。了解压电陶瓷对于 超声电机 的设计有一定的帮助，同时也能更好地实施 超声电机 的驱动控制。所以对于压电陶瓷的研究关系到是否能提高 超声电机 的综合性能。 1880 年，居里兄弟（ 现：当在 特定方向上施加一定的机械外力，晶 体会产生极化现象，在与机械外力方向垂直的两个表面内出现极性相反的束缚电荷。通过定量的分析，发现电荷密度与外力的大小成正南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 12 比，这就是现在的“压电效应（ ，也称为正压电效应。其后他们又发现：当 外电场的作用下，晶体内部会产生应力或者应变，使得晶体发生变形，这就是现在的逆压电效应。后来把正压电效应与逆压电效应统称为压电效应，同时把具有压电效应的晶体称为压电体。有了压电陶瓷实现了电能与机械能的相互转换。并不是所有的晶体都具有压电效应的，是否具有压电效应取决于晶体本 身的结构。研究表明，压电体可以是单晶体、多晶体、聚合物、生物体（如骨骼）。其中超声电机 所使用的压电陶瓷一般为压电多晶体锆钛酸铅，其化学式为 3,英文缩写为 (a) 极化前的电畴取向 (b) 极化后的电畴取向 图 电陶瓷中的电偶极子 压电陶瓷本身是一种铁电体，在未经极化前没有压电性。微观上，压电陶瓷可以看作是众多无规则取向的铁电晶体组成的 ,如图 2.3(a)所示。这种无规则的取向和微晶中的“电畴”结构，使得烧结后的陶瓷体在宏观上为各向同性的、不呈现压电性。为使压电陶瓷具有压电性，使电场与形变构成所谓的本构关系，就需预先对压电陶瓷进行极化，即需在压电陶瓷片上施加很高的直流极化电场，如图 2.3(b)所示，使铁电体中的“电畴”的取向尽可能具有一致性，而撤除该电场后，由于铁电晶体具有类似磁滞的“电滞回线”特性，从而会使压电陶瓷中仍能保留一定的剩余电场。当在此剩余电场上叠加一小的交流电场时，由于交流电场相对很小，其作用一般不足以使“电畴”转向 ，但可以引起电畴边界的移动， 使与电场同向的电畴体积增大，与电场反向的电畴的体积减小，这样，经过极化的压电陶瓷便具有了较典型的压电性。可见，经极化处理后的压电陶瓷可当作压电晶体使用，而且其压电性会表现得更明显。 当把交变电场以特定方式施加到压电陶瓷片上以后 ,通过逆压电效应可激发出压电陶瓷的振动模式，这时压电陶瓷就成为了一个压电振子。压电振子典型振动模式主要有：垂直于电场方向的长度伸缩振动（简称 平行于电场方向的厚度伸缩振动（简称 垂直电场平面内的平面切变振动（简称 平行于电场平面的厚度切变振动（简称 四种类型，如 图 示。设计压电振子时，除应选择合适的 压电陶瓷材料之外，还要选择合适的压电振子振动模式。其中，板式旋转行波超声南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 13 电机利用的是压电陶瓷的 电陶瓷的极化 供电配置 根据行波的形成，为能在定子弹性体上激发出两相时、空上相差 2 的驻波，就必须合理地配置压电陶瓷的极化方向及激励方式，只有这样才能产生正确激振力。为便于说明这一问题，假想地将圆环展开为直梁，则通过以下三种极化配置和激励方式可得到所需的两相驻波： 1） 将上、下两片压电陶瓷环和弹性体粘接在一起，两个压电陶瓷的电极在空间(a) (b) 式 (c) (d) 图 压电振子的四种振动模式 (a) 方式一 (b) 方式二 (c) 方式三 图 电陶 瓷的极化配置方案 南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 14 上相互错开 4 ，在两片压电陶瓷上施加相位差为 2 的交变电压，如图 2.5(a)所示。采用这样的方式激发的两个驻波可合成为行波。 2） 将同一片压电陶瓷环极化处理为极化方向相反的两个部分，并使这两部分在空间上错开 4 波长，如图 2.5(b)所示， 同时在这两部分上分别施加时间上相差 2的交流电压，则在两个部分上分别产生的驻波，它们也同样可以叠加出行波。 3） 在一片压电陶瓷上按图 2.5(c)所示的方式进行极化和施加电压，也可以形成时间上、空间上分别相差 2 的驻波信号。 大多数 旋转行波超声电机 采用 图 2.5(b)的 方式，如旋转行波超声电机 09 模态下，其极化方式即采用上述第二种配置方案，如图 示。 为旋转型行波的一种特殊的形式，也 是 采用相同的方案。 图中， A 区（相）和 B 区（相）为极化 激励区。考虑到必须预留一个波长空间（另有它用），所以驻波的波数选定为奇数，处于极化区的压电陶瓷正好占用偶数个波长的空间。这样做的目的是为了更好地保证激励出两相驻波的左右对称性。预留的一个波长中 4 区域称为孤极反馈区，通常该区也要进行极化，但该区不是用来实现定子激励的，其上也不施加交变电压。该区在随定子一起振动的过程中，会因为逆压电效应而会产生交变电压，通过该电压可判断超声电机的工作状态，因此该电压可作为驱动和控制的反馈信号。 占据四分之三个波长，它是作 为 A 区和 B 区的公共地。值得一提的是，采用以上极化配置方式时，当给处于 A 相极化区内的压电陶瓷单独激振时，可以激发出 A 相驻波，此时 B 相压电陶瓷中由于逆压电效应会产生电压，但由于 B 相压电陶瓷在同一极性的极化小区内一半处于波峰区，一半处于波谷区， 因此 由逆压电效应产生的电压正负抵消 ，即 A、 B 两相压电陶瓷的激振互不影响。 图 机的压电陶瓷的极化方式 曲驻波振动的产生过程 超声波以行波和驻波的形式传播，都是由 频率 和 振幅 均相同、振动方向一致、传播方 向相反的两列波叠加后形成的波。 当 波在介质中传播时其波形不断向前推进， 称南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 15 为 行波 （ ； 当 上述两列波叠加后波形并不向前推进， 称 为 驻波 （ 。 压电陶瓷质硬且脆，通过压电效应直接产生的位移很小，因此，采用压电陶瓷实现电能 与机械能之间 转换时，一般不把它直接当作压电振子来使用，而是将它与某种弹性体粘接在一起共同构成振动体，这种振动体称为压电层合结构。旋转行波超声电机的定子实际就是一个压电层合结构。该结构中压电陶瓷用于对定子弹性体施加激振力，使定子产生位移响应。 为了说明 驻波产生的原理，先来考察图 示的压电层合梁。该梁的中性层为所在的平面。由于压电陶瓷与弹性体粘结为一体，根据变形协调条件，二者在粘结界面处将产生同样的变形。当按图 2.7(a)中的方式沿极化方向施加电压时，压电陶瓷会在长度方向上出现拉伸变形的趋势，而因压电陶瓷和弹性基体束缚在一起，压电陶瓷拉伸受到阻碍，因此，它将拉动基体一起变形，从而对基体产生了拉伸力，然而，由于压电陶瓷的粘贴位置偏离弹性基体的中性面，弹性基体受到的拉应力后会产生弯矩，因此压电层合梁也会产生弯曲变形。最后，综合起来压电层合板将产生拉 弯组合的变形态势。同理，若对压电陶瓷施加如图 2.7(b)所示的反方向的电压，压电陶瓷会收缩变形，整个压电层合板会产生反向的变形 。 （ a）拉弯组合变形 （ b）压弯组合变形 图 电陶瓷激发的结构变形 若按如图 2.8(a)所示的方式在弹性板下面粘贴一组压电陶瓷片，使任意的相邻的两片陶瓷的极化方向是相反的，则当沿着极化方向通以电压时，压电陶瓷片会产生图2.8(b)所示的在相邻极化区域交 替伸缩的变形状态；如果将直流电压进行反相，压电陶瓷会产生图 2.8(c)所示的相反方向的交替伸缩变形状态；不难理解，若在其上施加交变电压，则压电陶瓷将产生如图 2.8(d)的交变伸缩变形。这样，就可在压电层合梁中形成弯曲驻波振动 。 南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 16 （ a）电场激振前（ b）正向激励（ c）反向激励 (d) 驻波振动 图 子驻波的产生 过程示意图 曲行波的产生过程和运动分析 作为 旋转行波超声电机 的振动主体的定子，是一个带支撑板的圆环 。 ， 这种结构的定子 上有梳齿结构，理论上讲，其振动方程没有解析表达式， 因内支撑 板 较 薄 且 质量小 ， 为便于对行波的产生过程进行原理性分析，将其近似地视为成一平面圆环结构，如图 图 形行波 超声电机的定子简化示意图 根据板壳理论及弹性动力学 可知 ，对于平面薄型圆板，必然存在 形如 图 a)所示的弯曲振动模态，这种振型 可标 记为0这里的 下标 n 表示弯曲振动的波数或者 称为 径向节线数（例如 ， 图中 的 波数 6n ）。可用一个 极坐标下的 振型函数 ,A r 对该振型（ 在此 不妨 设为 A 相振型）进行描述 ， ( , )A r的振型函数为 )c )(),( （ 2 式中， 为沿圆板沿着圆周方向的位移分布函数，其中， ()归一化的垂直于圆板中面的径向位移分布函数。在圆板最外缘 ()取值为 1，即 1)( （ 2 当采用简谐信号对圆板进行激振时，可设圆板中性面在该振型中的模态坐标为 南昌航空大学 科技学院学 士学位论文 17 ( ) c o s ( )A A mq t t （ 2 式 中，m为该振型