（机械设计及理论专业论文）应用平面内振动模态的超声电机的研究.pdf

南京航空航火人学| l i l 学位论文 摘要 ( 本论文来源于国家自然科学基会项目，项日编号：5 9 7 7 5 0 4 8 。_ 卜一一 本文的主要研究内容是： 1 综合s t j i l l 解析法和有限元方法剥1 1 2 i t 定予而内弯曲模念的特征进i i 了分析和 总结，探列了电机定子面内驻波以及而内行波的实现途径，从理论上证i 必了面内行 波时电机定子表面椭圆运动的存在。分析了面内行波超声电机的调速机理以及动力 传递机理。 2 通过对电机定、转子的受力分析，提出了椭圆轨迹优化的思想，指出了椭圆 轨迹的优化途径。分析了面内行波型超声l ：i t4 ) l 在结构设计方面应注意的l u 题，提j 了利用有限元计算结果检验电机定予表面质点椭圆运动轨迹能否形成的办法。论证 了面内弯曲模态压t i t 陶瓷片改进极化方案的合理i j - 。f 得出了所设计的( ： ，i ) 模态 电机频率与非工作频率的间隔值随电机定子结构参数的变化规律。辨析了电机的机 械共振频率与电学谐振频率，分析了而内非别称模态机电耦合系数的影响因素，捉 山了而内行波型超声电机的一种新结构。厂r 3 综合利用机械振动、弹性力学、压r u 学叶l 的有关理沦，首次完成j 7 面内行波 型超声f u 机数学模型的建立工作。 4 针对面内行波型超声电机的特点，捉j 了一利，新的面内行波型超声电机等效 电路模型。f 仿真结果证明此模型可以用于f 包机的分析和一i i 能预测。广、 5 完成了陶瓷片及电机定子的性能测试。对电机样机的工作性能进行了实验研 究。得出了电机性能曲线。f 实验中发现了电机样机在单相驱动时仍能实现转动的新 现象，分析了此现象产生的原因。) ，弋一 关键闻：丽内行波型超声电机非对称模态数学模型等效电路单向驱动 恣索航空鑫蓬天人学| 一学像论文 a b s t r a c t t h e p r o j e c ti sf u n d e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n 州o5 9 7 7 5 0 4 8 ) t h em a i nw o r k a c c o m p l i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w ： 1 t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e n d i n gm o d e l si nt h ep l a n eo ft h es t a t o ra r ea n a l y z e da n d s u m m a r i z e d b yu s i n ga n a l y t i c a l m e t h o da n dfem ，a tt h e s a m et i m e t h e n i n v e s t i g a t e st h ew a y st or e a l i z et i ms t a n d i n gw a v ea n dt h et r a v e l i n g 、= v a v et h a ta r e g e n e r a t e di nt h ep l a n eo ft h es t a t o r , a n dd e m o n s t l + a t e st h ee l l i p t i c a lm o t i o nt l m te x i s t s o nt h es t i r f a c eo ft h es t a t o ri ft h et r a v e l i n gw a v ei se x i s t e di nt h ep l a n e h o wt oa d i u s t t h em o t o r ss p e e da n dt h ed y n a m i c a l p a s s i n gm e c h a n i s mb e t w e e n t h es t a t o ra n dr o t a t o r a r e a n a l y z e di nd e t a i l ， 2 b ya n a l y z i n gt h ed y n a m i c a lm e c h a n i c sb e t w e e nt b es t a t o ra n dt h er o t a t o r ，t h ei d e at o o p t i m i z ee l l i p t i c a l t r a c ka n dt b e w a yt oo p t i m i z et h et r a c ka r ep r o d u c e d t h e n e n a p h a s i z e st h ep l o b l e m st h a ts h o u l db ep a i da t t e n t i o nt ow h e nw ed e v i s et h e1 1 1 0 1 0 1 a n dt h em e a n sa r ea d v a n c e dt oa t t e s tt h e p r o d u c t i o no ft h ee l l i p t i c a lt r a c ko nt h e s u r f a c eo ft h es t a t o rb a s e do nt i l er e s u l tt h a tw a sc a l c u l a t e db yf em p r e s e n t st h e p r a c t i c a lp r o j e c th o wt op o l et h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c su s e dt o g e n e r a t eb e n d i n g m o d e l si nt h ep l a n e t h ei a wi s g a i n e d ，w h i c hi s t h ei n t e r v a l sb e t w e e nt h en e e d e d f r e q u e n c y ( 3 ，1 ) a n d t h en o n o p e r a t i n g f r e q u e n c yv a r i e sw i t ht h e s t a t o l ss t r u c t u r a l p a r a m e t e r ，a n dd i s t i n g u i s h e s t h e c o n c e p t s b e t w e e nt h em e c h a n i c a lr e s o n a n c e f r e q u e n c ya n dt h ee l e c l r i c a lo d e ，s o m e 是c t o r st h a ta f f e c tt h em e c h a n i c a l e l e c t r i c a c o n p l i n gc o e 确c i e n to f t h ea s y m m e t r i c a lm o d a l si nt h ep l a n ea r ea n a l y z e d b a s e do n t h e s e ，an e ws t r u c t u r eo ft h eu l t r a s o n i cm o t o ru s i n gt r a v e l i n gw a v ei 1 1t h ep l a n ei s g i v e n 3 ，u t i l i z e st h em e c h a n i c a l v i b r a t i o n ，e l a s t i cm e c h a n i c s ，a n ds o m et h e o r i e sa b o u t p i e z o e l e c t r i c i t y t h ed y n a m i c a lm o d e lo f t h eu l t r a s o n i cm o t o ru s i n gt h et r a v e l i n gw a v e i nt h ep l a n ei sf i n i s h e df i r s t l y 4 ，a i m e dt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eu l t r a s o n i ci n o t o ru s i n gt r a v e l i n gw a v ei nt h ep l a n e 。a n e wm o d e l o f e q u i v a l e n tc i r c u i to l t h em o t o r i sp r o p o s e d t h es i m t d a t i o nr e s u l tp r o v e s t h a tt h em o d e lc a nb eu s e dt oa n a l y z et h em o t o ra n dt op r e d i c ti t sp e r f o r m a n c e s 5t h ep e r f o r m a n c et e s to ft h es t a t o ra n di t sc e r a m i c sa r ef i n i s h e d ，a n dt h eo p e r a t i n g p e r f o n n a n c ee x p e r i m e n t o ft h e p r o t o t y p em o t o r i sd o n e d u r i n gt h e r u n n i n gp r o c e s so f t h em o t o r ，an e w p h e n o m e n a i sd i s c o v e r e d ，w h i c has i n g l e p h a s ec i r c u i tc a nd r i v et h e p r o t o t y p em o t o r a n dt h ec a u s eo f t i mp h e n o m e n ai sg i v e nr e a s o n a b l y ， k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o ru s i n gt r a v e l i n gw a v ei nt h ep l a n e ；a s y m m e t r i c a lm o d a l ； m a t h e m a t i c s m o d a l ；e q u i v a l e n tc i r c u i t ； s i n g l e p h a s ed r i v i n g 南京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 1 1压电超声电机筒述 在对压电超声电机进行研究之前，有必要对此新型电机各方面的情况做一简单 的概要性了解。 1 1 1超声电机的定义、特点及应用1 】 2 压电超声电机是通过逆压电效应和电机定子的超声振动，借助于电机定、转子 之间的摩擦耦合而使得电机转子运动的装置。 从能量传递的方式来看，超声电机没有电磁绕组和磁路，不以电和磁的相互作 用来传递能量。因此，它是一种全新的能量转换器件，也是对传统电机电磁驱动原 理的突破和有力补充。 图l l 和图l 一2 示出了电磁电机和压电超声电机各自截然不同的能量转换 过程。通过两图的比较，更能清楚地看出电磁电机和压电超声电机基本工作原理上 的差别。 l电能卜叫电磁电机的磁场能 叫转子的机械能l l _ “ 电磁感应l _ - _ 一电磁作用 图1 1电磁电机的能量转换过程 幽1 2压电超卢电机的能昔转换过程 由上两图可知，压电超声电机通过逆压电效应和摩擦作用两个环节将输入的电 能转化为转子的机械能。 也正是由于压电超声电机采用了不同于电磁电机的能量传递方式，使其具备以 下一些主要特点： 1 与通常的电磁电机高速下较小转矩的特性相对应，压电超声电机则表现为 低速下大转矩的特征。 2 由于低速下转矩较大，故无需利用减速机构来增大转矩，因此，可实现负 第一章绪论 载的直接驱动。 3 由于省去了电机和负载之间的变速机构，直接驱动负载，避免了使用齿轮 变速箱而产生的振动、噪声、传动精度降低以及低效率、难控制等一系列 问题，有利于精确定位的实现。 4 由于依靠电机定、转子之间的摩擦传递动力，故超声电机具备一定的断电 自锁能力。 5 因为并未使用磁场，故不会产生磁性干扰，也不会受到磁场干扰。这一点 在许多的实际应用场合具有很大的优势。 6 因为转子的驱动依靠摩擦实现，而不需要产生交变磁场，故电机的结构设 计有较大的自由度。 7 容易制成直线型电机。 8 电机具有良好的控制响应特性。 9 由于电机定子必须产生共振模态，因而在数千瓦以上的功率状态下实现起 来困难。 当然，从另一个方面来讲，超声电机的特点同时也决定了它的使用范围，上述 特点使得超声电机在各种不适于使用普通电磁式电机的环境下，能以自己的独特之 处，获得广泛的应用。 超声电机的应用领域包括下列方面： ( 1 ) 机器人驱动器 ( 2 )民用驱动器 ( 3 ) 精密定位装置 ( 4 )微小机械驱动器 ( 5 )航天机械 ( 6 ) 物料输送器 1 1 2 超声电机的发展历史c 1 c 2 c i ? 一纠 超声电机自二十世纪八十年代由日本的指田年生开发成功以来，有了一个根本 性的发展。从具体的结构形式看，到现在为止，已经问世的结构有几十种。本文所 研究的面内行波型超声电机只是其中的一种，它是压电超声电机研究历史的产物， 是在压电超声电机研究到一定阶段时被提出的，它的出现反映了人们对于压电超声 电机认识的进一步深化。因此，对超声电机的发展历史做一简单的回顾，无疑对本 文的研究工作有益。 1 9 6 1 年，当时b u l o v aw a t c hl t d 公司首次利用电磁力对弹性体进行激振，用 被激振的弹性体来带动钟表齿轮。这种钟表走时准确，每月只有一分钟的误差，打 破了那个时代的纪录，引起了轰动。 南京航空航天人学博士学位论文 大约1 0 年后，人们利用压电效应制造出直线驱动装置和步进电机，并于 1 9 7 0 1 9 7 2 年，由s i e m e n s 和m a t s u s h i t a 电子工业公司研制出具有实际应用前景的 压电超声电机。但由于压电材料在几十千赫兹甚至更高的驱动频率下工作，振动件 ( 也称振子) 的振幅太小，不能获得大扭矩，因此没有得到推广应用。 1 9 7 3 年，i b m 公司h v b a r t h 提出了如图1 3 所示的压电超声电机。此电机 由一个转子和两个驱动振子组成，驱动振子由压电体提供振动能量，其自u 部压紧在 转子上，因而可借助摩擦力推动转子旋转。当左侧振子工作，右侧振子停止时，电 机顺时针旋转，而当右侧振子工作，左侧振子停止时，电机逆时针旋转。可惜的是， 此电机的结构仅仅是一种原理性的方案。 前苏联的v v l a v r i n e n k o 等人研究了具有同样原理的几种压电超声电机，并 指出了压电超声电机结构简单、成本低、低速大扭矩、单位质量功率大、运动精确、 能量转换效率高等一些根本特性。 振子振子2 图1 3h v b a r t h 的超声电机原理图 1 9 7 8 年，前苏联华西列夫等人提出了一种转动良好的旋转型超声波电机，其压 电振子由在两个金属块夹持压电元件所构成，可降低共振频率并提高振幅。同时在 电路中设置反馈回路以稳定振幅。当电机工作时，压电振子的纵向振动传递给与转 子接触的振动片，通过此振动片的振动拨动与电机转子转动。除此之外，他们还开 发了另外一些结构相近的超声电机。同样可惜的是，这类电机由于一些原因难以实 际应用，故尚未有实用的报道。 1 9 8 0 年，r 本的指r = | 年生提出并成功地制造了一种驻波型压电超声电机，此电 机与华西列夫的电机原理大致相同。该电机转子与振子的轴线重合，振动片与振子 做成一体，但稍倾斜于振子轴线，图1 4 为此电机的工作原理简图。驱动频率为 2 7 8 k h z ，输入功率为9 0 w 时，机械输出功率为5 0 w ，转矩为0 2 5 n i l l ，可以说，指 田年生研制的这个压电超声电机，在性能上接近可以实用的程度，但是，由于电机 振动片与转子几乎相垂直，所以接触表面上磨损严重。 第一鬣绪论 为了解决这个润题，指羽年生又子i 9 8 2 年提出菇= 带遥了勇一台压电超声电视 行波型压电超声电机，这种电机的原理是利用行波在有限弹性体内传播时表面质 点产生的椭圆运动推动转子工作。因此，实现了由驻波定点定期推动转子变换成由 厅波连续不甄蟪攘动转予，大大降低了定子与转孑赛箍上戆摩擦霹瘗损，为压毫超 声电机走向实用阶段开辟了邋路。 更为重要的鼹，指田年生的上述发明证明，当作为定子的弹性体表面可以生成 撼豳运动露，它麟霹黻用来梅造超声电撬。应该说，缮函年生载这一贡麸擞其孵我 意义。正是戬诧为契机，日本的研究者提出并且研究了多种利用级向振动、弯曲振 动以及扭转振动组合以构成意子表面质点椭圆运动的方法。 可以推知。构成电机定予表蘧质点橇强运动方法拣多撵伲不仅会繁柬越声电枫 结襁彩式戆多样能，恧且氇事富了超声魄祝静设诗壤论。这对越声电机发震豹意义 是不裔而喻的。 鬻实也正是如此，超声电机的研究发展到今天，大部分电机的驱动都依靠定子 与转予接魅爨覆簇点熬魏爨运动寒完成。 转予 图1 4攒囝年生研制的楔彤超声电机原理 曩8 0 年代中期，日本超声电机的研制已形成相当的规模。例如日立马克赛尔公 司、松下电器公司、新生公司都取得了好的成果。 8 0 年代寒年代初，鞭方王、韭发达霞家翅美嚣、德匿等魄整寿超声逡橇礤究 的报邋，镶如，美国利用其巍进的材料和i c 工艺研制出的微型趱声电机，其尺寸仅 有数酉微米( 2 5 0 d m x 5 0 0 d m 2 d m ) ，驱动电骶的典型值熄5 v ，最低w 达1 5 v ，转速有 1 5 0 r p m 。 秘蓠，在嚣魄超声电梳豹研究方覆懿予整界领巍继位静瑶本，已经有郝分电视 应用予工业产品中。 我国是在八十年代中期和后期开始接触到压电超声电机的。主要是通过压电 与声毙、瑗代载技译筮、鬣努疆鼓溺惑、羧惫壤等羁物爨接酝译鬣缡译， 综述了国外( 主鬻是日本) 聪电超声电机的发展、应用状况及电机的机理等。这些 南京航空航天大学博士学位论文 介绍使我国的研究者对压电超声电机有了认识。 从九十年代初期开始，在国内一些高校和科研所中，逐步展开了压电超声电机 的研究，其中包括对压电超声电机的运动机理、控制方法的分析以及电机样机的制 做和试验等方面。 近些年来，随着对压电超声电机认识的不断深入，我国在超声电机领域的研究 也取得了很好的成果，在较短的时间里相继研制出多种形式的、性能较好的压电超 声电机样机。 1 1 3超声电机的分类 对所研究的对象进行分类，是科学上常用的方法之一，不同的分类方法有助于 对超声电机多方位的了解，这对进一步认识本文所研究的面内行波型超声电机的一 些特点很有意义。 按照驱动方式分类，超声电机可以分成以下两类： 1 单一振动模态 2 复合振动模态 按照所利用波的传播方式分类，超声电机则可分成以下两类： 1 行波型超声电机 2 驻波型超声电机 按结构分类，超声电机可以分成以下三类： 1 圆盘或圆坏型电机 2 棒状或者卡t 状电机 3 平板型电机 按功能分类，超声电机则可以分成以下两类： 1 旋转型电机 2 直线移动型电机 按定子质点的振动位移与定子工作表面的位置关系分，则电机可分为以下两类： 1 面外模态超声电机 2 面内模态超声电机 应当指出的是，在以上的分类法中，有一些仍然可以继续细分。而且上述分类 方法也未必能涵盖所有的超声电机。 本文所研究的超声电机，按照波动方式分类则属于行波型电机，如果按结构分 类则应属于圆盘或圆环型电机，按功能分类的话则应是旋转型超声电机。按定子质 点的振动位移与定子工作表面的位置关系分，则应是面内模态超声电机。 1 2 面内模态超声电机卜1 4 】 第一章绪论 本文的主要研究对象为面内行波型超声电机。其驱动所利用的是薄圆环、圆片 型定子的面内弯曲振动模态( 非轴对称轮廓振动模态) 。如果定子是薄型方片时，则 利用其轮廓振动模态。 薄型圆环或圆板的面内振动模态有多种，在本文的第二章中可以看到，利用有 限元计算得出的圆环型薄板面内振动模态的各种典型振型。例如，薄型圜环或圆板 还有面内径向伸缩模态。因此，本文研究的面内行波型超声电机应是利_ j 面内振动 模念超声电机的一种。 对面内模态超声电机可以进一步做如下的分类： 一面内行波型超声电机 面内模态超声电机i i l 面内驻波型超声电机 1 2 1面内行波电机与面外行波电机的比较 已经清楚的是，通常的行波型超声电机订三常工作的基础是电机定子j 转子接触 表面质点的椭圆运动，本文所研究的面内行波型超声电机同样也不例外。不过，与 通常的利用圆环型薄板的面外弯曲振动模态的行波型超声电机相比，从定子的具体 振动方式看，还是有着明显的差别。 以超声电机应用比较多的薄圆环型定子为例，其面内振动模态和面外振动模态 的典型实例面内弯曲振动模态和面外振动弯曲模态的比较，如图l j 和图l 一 6 所示。 图l - 5定子平面外振动模态振型例 圈1 6 定子平面内振动模态振型例 上述两图是通过有限元计算得到的结果。图卜5 是圆环型定子平面外弯曲振动 模态振型算例，图l 一6 是圆环型定子非轴对称轮廓振动模态即定子平而内振动模 态的振型算例。 由上面图l 一5 和图l 一6 的比较不难看出，定予非轴对称轮廓振动模念振型 6 南京航空航天大学博士学位论文 算例中的变形只沿定子圆环面的径向，而定子平面外振动模态振型算例中的变形则 主要沿定子圆环的轴线方向。这应该是圆环型定子面内振动模态和面外振动模态直 观上的明显不同。 由此直观上的明显不同，可以想象到的是，利用面内振动模态和通常的利用面 外振动模态超声电机的结构应有显著差异。这是因为，压电超声电机所利用的f 是 电机定子的超声振动，电机定子在振动方向上的差异，必然导致电机定、转子接触 面的不同。 关于这一方面的实例，在此不做全面介绍。而只就本文所研究的面内行波型超 声电机与通常的面外行波型超声电机做一对比。 两者在结构方面的比较如图1 7 和图l 一8 所示。图卜7 是利用面外振动模态 的超声电机，在此种常见的超声电机中，电机定、转子沿轴向接触。而利用面内振 动模态的超声电机，电机定、转子则沿径向接触，基本结构如图1 8 所示。这与图 1 5 与图1 6 中圆环型薄板定子的面外弯曲振动模态以及面内弯曲振动模态f 好相对应。 由图1 7 和图1 8 可知，与电机定、转子是沿轴向接触的利用丽外振动模 态的超声电机相比，在使超声电机进一步薄型化方面，利用面内振动模态的面内行 波型超声电机更有优势。 套 。谤暖。 彻t c i 图1 7面外行波型电机原理简图图1 8 面内行波型电机原理简幽 透过上述带有直观色彩的表象，可以想象到的是，由于所利用振动模念类别的 不同，利用面内弯曲振动模态的压电超声电机和利用面外弯曲振动模态的超声电机 相比，将不仅仅是由定、转子的不同接触形式而导致的结构上的差异，在超声电机 设计的多个方面，利用面内的振动模态的超声电机，都将与通常的利用面外的振动 模态的超声电机有很大的不同之处。 1 2 2 研究面内行波型超声电机的意义 第一章绪论 事实上，做为一种具备自己特点与优势的利用面内振动模态的超声电机，在当 前的微特机械领域，有着自己的存在价值。 以蒸汽机的出现为特征的第三次工业革命结束之后，人类社会已开始步入信息 时代。这时，机电类产品的一个突出发展趋势便是日益走向轻型化、小型化、和微 型化。做为上述产品能量转换装置的电机来说，当然也不例外。这就自然对电机提 出了结构方面的要求。 如上所述，当研究者在研究和开发颇具市场的小型或微型机械时，必然要对其 驱动器提出具体形状方面的限制，相当种类的仪器或仪表里的电机不仅体积要小， 而且厚度要薄。比如，安装在钟表及手表中的小电机显然不能在厚度上超标。此外， 现在许许多多薄片式的电子产品也都需要不仅体积小，而且还要尽可能薄型化的电 机。可以肯定的是，按照未来工业的发展趋势，薄型电机在薄型化的工业产品将有 相当数量的需求。 目前常见的小型和微型电机有如下的三类： 1 传统的电磁电机； 2 静电电机； 3 通常类型的超声电机。 传统的电磁电机高速下效率高、转矩小，当电机尺寸较小、功率较低时，其转 矩就不会很大。因此，其小型或微型电机带负载的能力受到限制。此外，电磁电机 带负载时，一般需要安装减速箱，这一点也限制了它在小型或微型机械中的应用。 静电电机是年代后期出现的一种新型电机，自从美国某大学分校研制出第一台 微静电电机以来，人们对其原理、工艺、材料以及如何克服定转子之间的摩擦力和 提高输出扭矩方面的问题进行了研究，并制造出多种微静电电机，它们比传统的微 电磁电机具有一些优点。但是，尽管这种电机已采取了一系列的减小摩擦力的措施， 但仍难以克服存在的内摩擦，以致需要很高的驱动电压，不能用电池直接驱动，通 常也需减速器。 通常的行波型超声电机，大都利用定子的面外振动，定、转子之间沿轴向接触， 在这种情况下，必然不利于把电机做得很薄。另外一般的行波型超声电机虽具有低 转速、大扭矩、体积小、不需减速器等优点，但它们需带特制的超声驱动电源，此 电源体积较大。 如果利用定子面内振动振动模态实现超声电机的驱动，由于此电机定、转子之 间沿径向接触，故此类电机可以做得进一步薄型化。除此之外，这种电机还可以只 由压电陶瓷片构成，可以制成毫瓦级的产品。所以，椐此设计一种新型的面内行波 超声电机无疑是很有意义的工作。 从理论探索方面讲，超声电机发展到今天虽已有十几年的时间，但和电磁式电 机一百多年的历史相比还显得年轻，其深层次的规律还未被人们所完全认识，设计 理论尚未系统化，要建立一门关于超声电机的电机学还有许多艰苦的工作要做。可 r 南京航空航天人学博士学位论文 以想象的是，不通过对电机进行一系列的理论以及实验方面的探索，就不可能解决 超声电机面l 临的问题。上述工作的进一步落实，则是研制具体的超声电机，特别是研 制各种不同种类的超声电机。从这个意义上讲，对利用定子面内振动模态的面内行 波型超声电机的研究，有其理论上的必要性。 综上所述，无论从社会和工业发展的实际需要来看，还是从理论研究的角度出 发分析，面内行波型超声电机的研制都很有意义。 1 2 3 面内行波型超声电机的应用前景 可以预期的是，利用面内振动模态的超声电机特别是面内行波型超声电机的研 制，不仅仅会丰富有关超声电机的基本理论，做为一种薄型驱动器，可广泛应用于 下列领域： 1 钟表工业时针和分针的驱动。 2 各种仪表上的指示器。 3 小功率机械的驱动器。 1 3 面内行波型超声电机的研究进展1 陇一4 3 面内行波型超声电机的研究，r 本的研究者做了许多工作，也取得了不少的研 究成果。法国和德国的研究人员近些年来也对此类超声电机的研究投入了力量。我 国在这一方面的系统研究起步较晚。现在与日本的研究相比，还存在差距。 1 3 1 面内行波型超声电机结构设计方面的研究现状 从理论上说，面内行波型超声电机可以做成电机定、转子同轴式，也可以做成 异轴式。因为本论文所着力研究的是同轴驱动的面内行波型超声电机，所以，有必 要在此对此类超声电机的研究现状做一介绍。 根椐搜集到的资料，此类面内行波型超声电机较有代表性的三个种类是： 1 ( 1 ，1 ) 模态超声电机 2 ( 2 ，1 ) 模态超声电机 3 ( 3 ，1 ) 模态超声电机 首先看( 1 ，1 ) 模态超声电机，此类型电机的定子直接采用压电陶瓷片做为定 子，在压电陶瓷片的内周插入锥销做为转子。压电陶瓷的内周上粘附着l 时磨材料。 此电机的效率为l o ，转矩为6 8 m nm ( 2 ，1 ) 模态超声电机如图1 1 6 所示，当其输入功率为4 w 时，获得的转矩 达9 m n m 。当转矩达到6 m n m 时，效率为2 2 。 另外的一种( 2 ，1 ) 模态超声电机结构如图l 一1 7 所示。此电机的效率最高可 达3 5 以上。转速达2 8 0 转分。 第一章绪论 利用( 3 ，1 ) 模态的超声电机结构从搜集到的参考文献看，结构形式较为单一， 且有关此类电机的介绍较之前两种要少，有些资料甚至没给任何技术参数。 通过以上内容不难看出，国外面内行波型超声电机有以下两个有待于继续改进 的地方： 1 电机的功率和效率不高。 2 电机的运转平稳性不高。 特点1 由前述的两个实例的介绍可以明显看出。面内行波型超声电机的功率以 及效率不高的原因比较复杂，这其中所涉及的问题是多方面的。要从根本上解决问 题，有以下两点需引起注意： 一：首先必须对面内行波型超声电机的工作机理进行真正细致的研究，搞清制 约面内行波型超声电机功率和效率的关键性问题。 二：在进行此类电机的设计时，根椐上述分析结果采取相应的措施。 特点2 所反映的是电机定、转子结合面的设计问题。由于面内行波电机定、转 子的接触界面为圆周曲面，故定、转子结合面的设计是一难点。在图1 1 6 中可以 看出，电机定、转子接触面的设计就不很理想。 定子 转子 弹簧 定予 轴承 螺母转了 支座 弹簧 幽1 1 6( 2 ，1 ) 模态超卢电机结构简图1圈1 1 7( 2 ，1 ) 模态超声电机结构简陶2 针对面内行波型超声电机定、转子接触面是曲面的特点，结合对此类型超声电 机定转子的受力分析，提出新的结构设计方案，改善国外现有的面内弯曲振动模态 超声电机的定、转子结合面的设计，应是一亟待解决的问题。 1 3 2面内行波型超声电机建模研究现状 从电磁式电机的发展过程中不难看出建立电机模型的重要性。事实上，超声电 机的建模也一直是超声电机研究的重点问题之一。 根椐所查到的资料看，尚未发现面内行波型超声电机动力学建模方面的论文发 表。这固然使得此方面的研究更有必要，但另一方面也使得此类电机动力学建模的 难度增加。 1 0 南京航空航天火学博七学位论文 由于超声电机基本原理上的一致性。使得不同类型电机的建模有相通性。其中 基本环节的建模有可能相互借鉴。例如，超声电机的由电能向机械能转换环节的建 模。所以，即使是其它类型超声电机的建模，对面内模态超声电机的建模也有很好 的启发作用。基于上述认识，有必要吸收超声电机研究者对电机建模的基础性成果 和非面内模态超声电机的建模所取得的成果。 在过去的研究中，研究者应用了多方面的理论。可以说，迄今为止的研究者建 模所用的理论方法是有效的。但不能说是尽善尽美的。应该注意到的是，超声电机 所涉及到的学科范围很多，比如压电学、摩擦学、力学等，这就要求研究者具备多 方面的专业知识。 从超声电机的组成环节来看，有以下两方面的问题有待解决： 1 超声振动情况下的摩擦特性； 2 温度对定子的力学行为和电学行为的影响的复杂性。 从超声电机的分类看，以下因素使得模型的使用范围受到影响： 1 行波和驻波的不同。 2 所用模态的类型不同。 3 电机尺寸的不同。 因此，超声电机的模型有必要从以下两方面进行研究： 1 不同种类超声电机的建模； 2 同一种类大尺寸与小尺寸电机的建模； 3 每一种模型的准确程度的提高。 因为目前还没有研究者用数学方法完成面内行波型超声电机的建模工作，所以 本文的建模工作目标在于探索一条建立完整面内行波型超声电机数学模型的思路， 并给出循此思路所建立的电机数学模型。 在应用电学模拟方法进行电机建模的研究中，日本的研究者做了很多工作。此 外，法国的一些研究人员也应用此方法对面内行波型电机的建模进行了探讨。在国 外，超声电机等效电路模型的研究工作一直有研究者在做。根椐搜集到的有关资料， 可以得出这样的结论： 1 关于纵、扭复合型驻波超声电机的等效电路模型的研究比较深入。 2 面外弯曲行波型超声电机的等效电路模型也有引人注目的研究成果。 3 面内行波型电机的等效电路模型研究较少。 在所掌握的资料中，介绍利用等效电路的方法建立面内行波超声电机模型的论 文仅仅两篇，一篇作者是m a n a b u a o y a g i 和y o s h i r ot o m i k a w a ，另一篇作者是 l a u r e n tl e b r u n ，l i o n e ip e t i t ，p a u lg o n n a r d 。在m a n a b u a o y a g i 和y o s h i r ot o m i k a w a 的论文里，主要介绍的还不是面内行波超声电机的等效电路模型。 如果谈到对上述日本和法国研究者所建等效电路模型的看法，可以发现，上述 两篇论文所提出的等效电路模型，都是单一振动模态的等效电路，不能称为真正的 第一章绪论 行渡等效电路。在m a n a b u a o y a g i 和y o s h i r ot o m l k a w a 的等效电路模墅中，两 令支路分裁表示跫蔼内弯魏掇动沟径商帮锈瀚分爨。l a u r e n tl e b r u n ，l i o n e ip e t i t ，a u l g o n n a r d 的等效电路模型中，没森对径肉程甥两分量进行区分。两者懿电路图都没 有给出形成行波的两楣樱差9 0 0 的电源，不舆备模拟露波的基本条 牛。因此，构筑 行波状态下的等效电路应是研究方向。 在等效电路模型的研究中，商以下几点是应当注意的： 1 对等效电路的等效思想方法有j 下确理解。 2 对所研究超声电机所利用的振动模态有深刻的认识。 3 对已有的缀、拯复合疆，面外弯鞠行波墅，面内( 1 ，1 ) 弯曲模态型超声电 枧的等效宅路模囊有裾当程度浆了解。 本文等效电路模型的磅究搀在上述三点豹基础之上，紧密结合本文联磅究静到 用面内弯曲模态的超声电机的具体结构特点和厦内弯蝗振动模态特点进行，力争在 行波的等效模型等方面有所创新。使得所建颟内行波型超声电机的等效电路模型对 电机的刻画更细致。更能反映面内行波型超声电机的特点。 1 。4 本文憋研究曩标、思路及方法 基于上述分析，确立本文的目标是，瞄准2 1 世纪电气设备发展的需求，研究 种薄霆的超声电祝。它可黻用电滟供电、用i e 集成芯片产生二相高频驱动电压来控 辎，蒸输出功率为可小至哺缀。诧毫视力争在功率与效率方丽有所突破，在电机的 续梅设计方嚣毒掰创耨。除戴之终，还将探索建立魏类越声魄梳抟动力学模鍪以及 等效瞧路模型，以期能用于搬导魄枫熬分援葶爨设计。最蜃，还要对爨磺铡电极豹样 机进行实际的运行试验，分析试验中出现的一些新问题。 参照前述面内行波型超声电机的国内外研究现状和本文的研究目标，拟定如下 的研究工作思路： 1 首先探索这种新墅电机的工作机理，搞清楚面内行波型超声电机各个部分或 者环节之间的内在动作视嗣及相互联系。为迸一步的研究做好准备。 2 在上述工作静基璐上，分橱国外溺类鳖超声电梳奁各方面的优缺点，我出面 内短波电规奁实隧设计过程中应该注意的阀题，确定惫极豹结梅参数和电视 定、转予接触界蕊的结构形式。撼出本论文匿内纷波型超声电极的总体设诗 方案，并制做相应的样机。 3 建立其完善的动力学模型。从整体的角度给出面内行波型超声电机的定量描 述，为预测其工作性能、指导实际的电机设计做好准备。 4 对所研制样机的主要元器件进行性能测试及实验分析，对样机迸 i 实际的调 试，得密其稻应的性能萄线。 5 ，扶理论与实际嚣个方甏总结本论文对i 琏= 类鍪超声电梳的研究成莱i ；存在韵不 南京航空航天大学博十学位论文 足之处。 概括来说，本论文的工作思路从逻辑上讲，可分为以下的几大步： 一首先使所研究的面内行波型超声电机能够实现运转，即能够动起来。上面 工作思路中的第l 步关于此类型超声电机的工作机理研究即主要解决这一 方面的问题。 二使所研究的超声电机不仅能实现运转，而且要力争实现高质量的运转，这 方面的研究工作体现在上述工作思路中的第2 步关于此类型超声电机的设 计分析中。 三要实现此类型超声电机的产业化，只完成前两步的研究还远远不够。因为 无论从实际的超声电机设计还是电机的实际应用来讲，都应当设法建立所 研究电机的模型，能够对其性能进行预测。这方面的内容在工作思路中的 第3 步关于此类型超声电机的建模中完成。 上面的研究成果当然要通过实践的检验，另外，对实验结果有必要进行总结。 这部分工作即为工作思路中的第4 、5 步。 在研究方法方面，本文立足于综合，在整个课题研究过程中，采取理论与实践 相结合的方法。而在理论分析方面又采取解析方法与数值方法的综合。因为不同的 解决问题的方法都各有其优缺点，综合的方法则可以收到各取所长的效果，可以从 不同的方面较为全面地反映研究对象的各个侧面的特点。 其实，超声电机本身就体现了多学科的综合。综合的方法将在本论文的研究工 作中得到体现。 1 5 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容是： 一面内行波型超声电机的工作机理分析。 在此部分的研究中，首先利用解析法和有限元计算对所研究的圆环型薄板定子 特别是由不同种材料构成的电机定子的面内弯曲振动各方面的特征进行分析，然后 将以上述工作为基础，分析面内驻波的激发，面内行波的实现，从理论上证明面内 行波电机定子表面椭圆运动的形成。在本章的最后分析面内行波超声电机的调速机 理，以及此类电机的动力传递机理。查阅国外的有关文献，未见有综合利用解析法 和有限元方法研究超声电机圆环型薄板定子面内弯曲振动的先例。 通过工作机理分析，一方面对面内行波型超声电机的主要环节从理论上进行了 探讨，另一方面也将此类电机可能面临的问题提出。这样既为进一步的工作准备了 研究上的条件，同时也指明了研究的方向。 二面内行波型超声电机的设计分析。 本章的研究内容是电机工作机理分析的继续，首先从电机的要求出发讨论了压 第一章绪论 电陶瓷材料参数的选择问题。基于本文面内行波型超声电机正常工作有赖于电机定 子表面质点的椭圆运动的形成的结论，提出了椭圆轨迹优化的思想，通过对电机定、 转子的受力分析指出了椭圆轨迹优化的途径。以此为契机，进一步考查了面内行波 型超声电机定子在结构设计方面应注意的问题，提出了用有限元方法检验电机定子 表面质点椭圆轨迹能否形成的方法。从理论上论证了面内弯曲模态超声电机所用压 电陶瓷片的改进极化方案的合理性。分析了国外相应的面内行波型超声电机的结构， 提出了一种新的结构形式。该新结构形式在扩大电机定转子的接触面，改善此类电 机的预紧方式方面有所创新。重新推导了面内模态时压电陶瓷的机电耦合系数公式， 并由此公式分析了机电耦合系数的影响因素。分析了电机压电陶瓷片几个机械频率 和电学频率的特点。这其中，通过对电机定、转子的受力分析提出的椭圆轨迹优化 的途径，用有限元方法检验电机定子表面质点椭圆轨迹能否形成，未见有国内或者 国外的研究论文发表，所提出的新结构形式的电机也未见国内或国外研究者提出。 三面内行波型超声电机的动力学建模。 面内行波型超声电机的动力学建模在电机的设计分析之后进行。通过解析的方 法完成针对面内行波型电机的完整的动力学模型，尚未见过任何国内外的研究者发 表论文。本章的研究中，依能量转换过程将面内行波超声电机的建模分为由电能向 机械能的转化和通过摩擦传递机械能环节这两大环节。进而把电机的建模细化为电 机定子的建模，电机定转子的接触模型、摩擦模型，电机转子动力学模型的建立四 部分。然后，综合运用分析力学、压电学、机械振动、弹性力学方面的基本理论， 完成了面内行波型超声电机的动力学建模工作，给出了电机动力学模型表达式。在 电机定子的建模部分，借鉴了国外研究者研究其他类型超声电机动力学模型的思想 方法。针对所研究面内模态电机的具体问题，对定、转子的接触模型提出了自己的 方案。 同时，对面内行波型超声电机的效率问题进行了探讨。 四面内行波型超声电机的等效电路模型。 在这一部分的研究中介绍了两类不同的机电模拟方法，立足于本文的几章研 究工作得出的一些结论，参照国外研究者有关面内行波型超声电机等效电路模型的 研究成果，针对面内行波型超声电机的特点，提出一组新的面内行波型超声电机等 效电路模型，其中包括： 1 一个电机在单相激振条件下，处于面内弯曲振动状态时等效电路模型。 2 电机在两相相激振条件下，处于面内行波状态时等效电路模型。 其中，面内行波状态时等效电路模型未见有研究者提出过。 血面内行波型电机的实验研究。 面内行波型电机的实验研究有以下方面的内容，首先是对电机所用压电陶瓷片 的性能进行了测试，和陶瓷片及电机定子的扫频实验。然后对电机样机的工作性能 进行了测试。实验中发现，电机样机在单相驱动时仍能实现转动的现象。 1 4 南京航空航天大学博士学位论文 六全文总结。 对本文所做的工作进行总结并提出进一步的研究方向。 1 6 本章小结 本章主要论述了以下几个方面的问题， 1 超声电机的简介 2 面内振动模态超声电机的特点及应用前景。 3 面内振动模态超声电机的研究意义。 从以下两个方面进行了论述： ( 1 ) 现代化工业的需要 ( 2 ) 超声电机本身发展的需要 4 面内振动模态超声电机的在国外的研究进展。 这其中包括： ( 1 ) 面内振动模态超声电机结构研究的发展现状 ( 2 ) 面内振动模态超声电机的数学建模的发展现状 ( 3 ) 面内振动模态超声电机的等效电路模型的发展现状 5 本论文的研究思路。 6 本论文的研究方法。 7 本论文的主要研究内容。 第二章面内行波型超声