行波型超声波电机毕业设计说明书.pdf

目录目录 第 1 章 绪论 2 1.1 超声波电机的定义与发展历史 2 1.2 超声波电机的基本工作原理 3 1.3 超声波电机的分类4 1.4 超声波电机的特点和应用5 1.5 超声波电机技术的展望5 第 2 章 行波型超声波电机的运行机理. 错误错误！未定义书签未定义书签。 2.1 椭圆运动的分析错误错误！未定义书签未定义书签。 2.2 驻波的产生及行波的合成 错误错误！未定义书签未定义书签。 第 3 章 行波型超声波电机的理论计算与设计.错误错误！未定义书签未定义书签。 3.1 定子谐振频率的计算错误错误！未定义书签未定义书签。 3.2 压电陶瓷换能器的设计和制作 错误错误！未定义书签未定义书签。 3.2.1 压电陶瓷的设计.错误错误！未定义书签未定义书签。 3.2.2 压电陶瓷材料的选用. 错误错误！未定义书签未定义书签。 3.2.3 压电陶瓷的接线方式. 错误错误！未定义书签未定义书签。 3.3 定子的设计及制作错误错误！未定未定义书签义书签。 3.3.1 定子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系. 错误错误！未定义书签未定义书签。 3.3.2 定子的内外径尺寸的选择. 错误错误！未定义书签未定义书签。 3.3.3 定子的振动模态的选择. 错误错误！未定义书签未定义书签。 3.3.4 定子的齿形齿数设计. 错误错误！未定义书签未定义书签。 3.3.5 定子的结构设计.错误错误！未定义书签未定义书签。 3.3.7 定子材料的选择错误错误！未定义书签未定义书签。 3.4 转子的设计及制作错误错误！未定义书签未定义书签。 3.4.1 超声波电机转子的柔性要求.错误错误！未定义书签未定义书签。 3.4.2 定转子径向弯曲配合. 错误错误！未定义书签未定义书签。 3.4. 摩擦层的设计.错误错误！未定义书签未定义书签。 3.5 定转子设计的总结错误错误！未定义书签未定义书签。 第 4 章 样机整体结构设计.错误错误！未定义书签未定义书签。 第 5 章 全文总结 8 参考文献 9 致谢错误错误！未定义书签未定义书签。 附录错误错误！未定义书签未定义书签。 英文翻译译文 错误错误！未定义书签未定义书签。 1 行波型超声波电机设计行波型超声波电机设计 摘要摘要：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。 关键词关键词：超声波电机 压电陶瓷 行波 please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings 2 此处省去此处省去 NNNNN 需要更多更完整的图纸和说明书请联系需要更多更完整的图纸和说明书请联系 秋秋 3053703061 2 第第 1 章章 绪论绪论 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 超声超声波电机的定义与发展历史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： 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 图1.1 H.V.Barth 的超声波电机 3 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。 4 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 5 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 单一模态型 连续的局部面接触 复合模态型 连续的点（线）接触 行波 型 模态转换型 断续的整个面接触 直线运动 单自由度 单一模态型 接触 断续的点（线）接触 复合模态型 空气 超 声 波 电 机 驻波 型 单一模态型 非接 触 液体 旋转运动 多自由度 1.4 超声波电机的特点和应用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。 6 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。 please contact Q 3053703061 give you more perfect drawings 2 此处省去 NNNNN 需要更多更完整的图纸和说明书请联系 秋 3053703061 7 8 第第 5 章章 全文总结全文总结 超声波电机是国外八十年代发展起来的一种新型直接驱动微电机。 它的基本结构及 工作完全不同于传统的电磁电机，主要由高频电源、压电陶瓷、定子、转子以及预压力 机构等组成。它主要利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为电机定子的机械振动能， 然后借助摩擦力将机械振动能传递给转子，产生直线运动或旋转运动。由于超声波电机 独特的工作原理，它具有低速大转矩、响应快、不受磁场影响、断电自锁等许多优点。 在精确定位装置、微型机械、工业控制、仪器仪表、智能机器人、航天航空等领域有良 好的应用前景，因此引起了学术界和企业界的重视。国内外有很多科研机构都正在对其 进行研究。 超声波电机的发展历史还很短，在分析、设计、控制等方面还有许多问题要解决。 本文详细地查阅大量国内外文献资料的基础上， 总结和分析了国内外超声波电机的研究 现状和发展动态，以目前最具有发展前景的行波型超声波电机作为论文的研究对象，进 行了深入细致的研究。在理论研究基础上，完成了行波超声波电机的理论计算、设计制 作。 9 参考文献参考文献 1 上羽贞行，富川义郎.超声波马达理论与应用M.杨志刚，郑学伦 译