（电力电子与电力传动专业论文）环状行波型超声波电机及其定子结构特性研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 一 a b s t r a c t u l t r a s o n i cm o t o r ( u s m ) i sat o t a l l yn e w m o t o rw i t hn e wd r i v i n gp r i n c i p l e i t so p e r a t i o n i sb a s e do nt h ev i b r a t i o nw i t hf r e q u e n c i e si nt h eu l t r a s o n i cr a n g ei n d u c e db yt h ei n v e r s e p i e z o e l e c t r i ce f f e c t i nt h ep i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s b ym e a n so ft h ef r i c t i o n a lc o n t a c tf o r c e ， t h ew a v ee n e r g yi st r a n s f e r r e dt ot h er o t o r ，f o r m i n gar o t a t i o n a lo rl i n e a rm o t i o n u s mh a s m a n yu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c h a s c o m p a c ti ns i z e ，s l i g h tm a g n e t i ci n t e r a c t i v ee f f e c t ， q u i c kr e s p o n s e ，h i g ht o r q u ea tl o ws p e e d t h e r e f o r e ，u s mh a st h eu n m a t c h a b l ea d v a n t a g e o v e rt h ec o n v e n t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cm a c h i n e si nt h ea r e ao fs m a l lp o w e rd r i v e s t h ew i d e a p p l i c a t i o n s i n r o b o t ，p r e c i s ei n s t r u m e n t ，a e r o n a u t i c sa n ds p a c ea p p l i a n c e s ，a n dm e d i c a l d e v i c e s ，a l s om a k eu s m m o r ea t t r a c t i v ef o rm o r ea n dm o r er e s e a r c h e r s t h et h e s i sm a i n l yi n v e s t i g a t e st h es t a t o r sc h a r a c t e r i s t i c so ft h et o r u st r a v e l i n gw a v e u l t r a s o n i cm o t o r ( t t w u s m ) s u c has t a t o ri sc o m p o s e dw i t hp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c sa n d m e t a le l a s t i c r i n g ，a n d i t sk i n e t i c f e a t u r ei st h eb a s et o d e s i g n ar e a l m o t o r u s i n g f i n i t e - e l e m e n ta n a l y s i s ，t h en a t u r a lf r e q u e n c i e so f t h es t a t o rc a nb ec a l c u l a t e d ，t h e n ，t h ee f f e c t o ft h es t a t o r sd i m e n s i o n sc a nb ed i s c u s s e da n dt h ec o n c l u s i o n sd r a w nc a nb eu s e df o rt h e o p t i m i z a t i o no f t t w u s m t h em a i nc o n t e n t so f t h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： t h eh i s t o r y , b a c k g r o u n da n dl i t e r a t u r e so fu s ma r es y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e da tf i r s t ，a n d t h e p r e s e n t r e s e a r c hs t a t u sa n d h o t s p o t sa r es u m m a r i z e d p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ci st h ek e ym a t e r i a lm a d eo fu s m i t si n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c t i st h ew o r k i n gb a s eo fu s m t h e r e f o r e ，t h ec h a r a c t e r i s t i co f p i e z o e l e c t r i cc e r a m i ca n dt h e r e q u i r e m e n to f s u c hm a t e r i a ls p e c i a l l yu s e di nu s ma r ei n t r o d u c e d a st h ep r a c t i c a lu s a g ei n u s m ，t h es l i c e dt o r u sp i e z o e l e c t r i cv i b r a t o ri sd e s c r i b e d t h ep r i n c i p l eo ft t w u mi si n t r o d u c e d f o c u s i n go nd e s i g no p t i m i z a t i o no ft h es t a t o r , s o m ee f f e c t i v em e t h o d su s e di nt h er e s e a r c ha r er e v i e w e da n dc o m p a r e d ，a n dt h em o s t a d v a n c e da n dr e l i a b l eo n ei sh i g h l i g h t e d 华中科技大学硕士学位论文 t h er e s u i t s ，r a i s e df r o mm o d a l a n a l y s i sb ya n s y s ，a r ep r e s e n t e dt h em e t h o d h o wt o c h o o s ea8 u l t a b i ev i b r a t i n gm o d e a n dc o r r e s p o n dw o r k i n g f r e q u e n c y , i se l a b o r a t e df i n a l l v t h e f e a s o n a b i e a n g e s ，t om a k es t a t o r sd i m e n s i o n s o p t i m i z e d 甜ea l s 0 p r o p o s e da 1 1 d d e m o n s t r a t e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i c m o t o r , s t o o lm o d a la n a l y s i s ，d i m e n s i o n s 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = j = = = = = = = = = = = = = = = # 1 绪言 内容提要：系统介绍了超声波电机的特点、发展前景、研究历史和主要应用，概述了 目前超声波电机的研究现状和热点问题。最后提出了本文的研究目的和主要研究内容。 当传统电机技术发展几近完备情况下，超声波电机的研究给电机技术带来了惊人 的变革。超声波电机的出现首先得益于压电陶瓷材料的发展，而其进步发展和应用 更是机械振动、精密加工以及电力电子等学科交叉发展的结果。 超声波电机以超声波振动为动力源，通过接触摩擦转换能量，形成旋转或直线输 出 ”。与传统电机相比，超声波电机集成度高，体积小，重量轻。鉴于其新颖的工作方 式及电源要求，它的驱动电路也随之简化。工作方面，不产生亦不接受电磁干扰、噪 音小、响应快、起停控制性好、低速大转矩、直接驱动负载等独有特性，使超声波电 机避免了传统电机固有且难以克服的一系列难题。可以说，超声波电机作为一种1 新 的驱动机构，扩展了电机的应用范畴。 从上世纪6 0 年代在钟表上开始利用弹性振动尝试，到7 0 年代压电振予在马达中 的原始应用，继而到8 0 年代实用型超声波电机的出现，超声波电机在机器人、微型机 械驱动、精确定位装置、强磁场环境下的设备驱动等领域得到了广泛应用，其在高科 技领域，取代传统微小型电机的技术革新潜力，亦吸引着越来越多研究者的目光。 1 1 超声波电机的特点及其发展前景 超声波电机没有绕组和磁极，不依靠电磁相互作用传递能量，而是利用压电陶瓷 的逆压电效应，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转予或滑块的宏观 运动1 12 ，3 1 其独特的运行机理使超声波电机具备了许多传统电磁电机无法比拟的优点。 第一，磁场影晌弱。众所周知，电磁电机的工作依赖电磁场的吸引和排斥作用， 如果没有较好的噪音抑制电路，其噪声将影响许多敏感电子装置内部的电子元件：涌 华中科技大学硕士学位论文 流甚至可以破坏诸如阴极射线管等非电机部件。而超声波电机工作中不利用磁场，因 而对外部不产生电磁干扰，另外由于机身没有线圈，因而外部磁场对它的影响也很小。 因此在诸如核磁共振单元、磁悬浮列车等工作在强磁场环境下的特殊对象中的应用， 超声波电机独具优势。 第二，低速大转矩，结构紧凑。图1 1 为理想的直流电动机与超声波电机的力矩 以及效率示意图 3 1 。从图中不难看出，直流电动机的最大效率出现在小力矩、高转速附 近：超声波电机的最大效率出现在大力矩、低转速附近。因此超声波电机适合工作在 低速状态。另外，超声波电机结构简单，适于微、小型化，与同样输出功率的电磁电 机相比，它的体积和重量仅为后者的1 8 至1 5 3 1 。因此，超声波电机的出现更满足了 各行业不断提高自动化的需要。 力矩 效率 图1 1 直流电机与超声波电机特性比较 第三，运行无噪声。超声波电机在低速下就可以获得大的转矩，不需要附加齿轮 减速机构就可以直接驱动负载，因此不产生齿轮工作噪音：另外，超声波电机所利用 的超声频振动是人耳感觉不到的。因此，超声波电机特别适用于办公室、医院、酒店、 剧院和图书馆等要求低噪音、乃至于静音的应用场合。 第四，响应速度快，控制精度高。在装配上，超声波电机的定子、转予被簧片压 紧，切断电源时，由于摩擦力的作用，会快速自动锁位。另外，由于超声波电机转子 惯性小，机械时间常数为1 m s 左右，因此响应速度快。超声振动的振幅一般不超过几 个微米，振动速度只有几厘米秒到几米秒，步距角可达分级。并且，超声波电机由于 精简了中间的增减速机构，没有中间传动误差，因而可以实现快速精确定位。超声波 电机卓越的控制性能，使之特别适合作为控制系统中的执行机构。 一一_ = 一 胬一 叩勺一蔫一 华中科技大学硕士学位论文 i f 如所有的技术发展一样，超声波电机除了上述的诸多优点外，还存在许多发展 瓶颈： 第一，无法实现大功率输出。超声波电机工作需要使用高频电源，需要采用耐磨 材料，而且，超声波电机工作必须产生共振模态。因此在数千瓦以上的功率状态下实 现起来极为困难【5 1 。 第二，压电陶瓷材料发展的局限是超声波电机发展的巨大障碍。超声波电机定予 的振动极易使压电陶瓷单元疲劳。压电陶瓷是一种抗压不耐拉的材料，而电机工作时， 陶瓷材料的压缩和拉伸变形是相等的，因此，获得大的振幅几乎不可能，而这在很大 程度上影响了超声波电机的效率。 因此，如何克服自身缺点，改良电机性能，提高运行效率，将是超声波电机未来 研究1 ：作的重点。 i 2 超声波电机的分类 f 1 ) 按工作原理分类2 】 按工作原理的整体分类见图1 2 。( a ) 组工作原理是目前大多数超声波电机工作的 基础，即生成椭圆运动。( b ) 组所示同相激振机构，由于激振电源是从同一个频道上 引出的，因而只适用于轻载场合。作为电机的振子，产生振动可以有电方法和机械方 法，但就目前电机的发展情况，仍以采用电激振方式居多。 ( a ) ( b ) ( c ) 椭圆运动 同相激振 利用单一共振模态 压电陶瓷纵效应、 图】2 超声波电机的分类 良幺 华中科技大学硕士学位论文 另外，压电激振方法中有利用纵效应和横效应两种方法。在利用横效应的方法中， 对电极进行适当分割以取得良好的电极形状，从而改善振子的机电耦合性能。这就是 日前研究比较深入的旋转行波型超声波电机的工作方式。 ( 2 ) 按结构分类 以电机自身的形状与结构为依据，可以分为圆盘型或圆环型电机、棒状电机以及 平板电机等等。 ( 3 ) 按功能分类 按电机用途可以分为旋转型超声波电机和直线型超声波电机。 1 3 超声波电机在国内外的发展状况 早在上世纪4 0 年代，人们就知道了超声波电机的工作原理，但直到8 0 年代，随 着具有高转换效率的压电陶瓷材料的出现，以及电力电子技术的发展，各国才相继研 制 各种类型的超声波电机。 1 9 6 1 年，b u l o v a 钟表公司首次尝试利用弹性振动获得动力，利用电磁力激振音叉， 利用其往复运动拨动钟表齿轮【2 1 。这种钟表月误差仅为一分钟。大约十年后，西门子公 司和松下公司开发出了一种直线驱动器和步进电机，其中使用了共振子和滤波器的关 键i 件压电振子。但由于这种振子的振动频率在数千赫兹以上，振幅极小，因而 无 ：获得较大的转矩或动力。 图1 3 超声波电机方案 华中科技大学硕士学位论文 1 9 7 3 年，i b m 公司的h v b a r c h 提出了一种如图1 3 所示超声波电机方案【“。状似 牛角尖的驱动足由压电体提供振动，其前部压制在转子上，借助摩擦力推动转予旋转。 转予需要顺时针转动时，右侧的驱动足工作，右侧的停止：需要逆时针转动时，右侧 的驱动足工作，左侧的停止。但这种电机的结构仅仅是一种原理性的方案，并没有得 到实际应用。 1 9 7 8 年，前苏联v a s i l i e v 等人提出了一种转动良好的旋转型超声波电机【2j 。如图 14 所示，其压电振子由两个金属块夹持压电元件构成，压电振子的纵向振动激振与转 子相接触的振动片，振动片纵向振动的同时弯曲振动而拨动转子旋转。这种电机的优 点在于降低了共振频率，并提高了振幅，同时在电路中设置了反馈回路以稳定振幅。 但可惜的是，这种电机在连续工作中磨损与发热严重，难以保持恒幅振动，因而在实 际应用上有很大的难度。 振动片 压电元件 图1 4 利用压电振子的超声波电机 1 9 8 0 年，日本的t s a s h i d a 提出并试制了一种与前述v a s i l i e n v 方案在原理上大致 相同的振动片型超声波电机【引。该电机的振子与转子轴线重合，振动片与振子做成体， 稍倾斜于振子轴线，使用螺栓紧固型l a n g e v i n 振子。驱动频率为2 7 8 k - z ，输入功率 9 0 w ，机械输出功率5 0 w ，转矩o 2 5 n r r l ，接近可实用程度。但是，由于振动片几乎 与转子相垂直，磨损比较严重。为了解决这个问题，s a s h i d a 又于1 9 8 2 年发明并试制 了行波型超声波电机，实现了由驻波定点定期推动转予向由行波连续不断推动转子的 转变。如图1 5 所示，该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，大大降低了定子与转孑界面的摩擦和损耗。 华中科技大学硕士学位论文 图1 5 行波型超声波电机一l 作方式 至此，研究结论已表明，当作为定子的弹性体表面可以生成椭圆运动时，就可以 构造超声波电机，这就为超声波电机的实用化研究开辟道路。1 9 8 7 年，佳能公司将其 丌发的圆环型行波超声波电机正式应用于e o s 相机自动调焦系统，实现了超声波电机 的商业应用，并推动了超声波电机的研究高潮1 6 1 。德、法、英、美、中、韩等国棚继在 8 0 年代末投入到超声波电机的研究之中叽 日本超声波电机技术处于世界领先地位，掌握着世界上绝大多数( 8 0 以上) 的 超声波电机技术发明专利，几乎所有的知名大学和大公司都在进行超声波电机的研究 ”i 。据新生工业公司1 9 9 7 年的统计资料，超声波电机在日本的实际应用数量如表1 1 所，j 。 表】1 新生工业公司】9 9 7 年的统计数据 应用领域 应用数量万台 光学仪器( 照相机等) 轿车( 座椅等) 精密仪器( 手表等) 航空设备( 图像处理等) 产业机器( x y 定位仪、机器人等) 住宅设备( 百叶窗、窗帘等) 5 0 0 2 0 3 0 1 2 0 2 6 华中科技大学硕士学位论文 除佳能公司外，尼康公司的相机亦采用了超声波电机1 6 1 ，西格玛公司在大口径望远 镜卜采用了超声波电机6 1 。精工公司还将超声波电机用于手表振动报警及手表日历盘的 驱动、手表时针和分针驱动等精密仪器中i 们。本多电子公司生产的超声波电机用于粉料 输送，实现高精度地定流量、定量两种控制模式运送粉料【6 1 。此外，丰田公司已在汽车 反光镜、方向盘、座椅头靠以及窗门玻璃升降装置中应用了超声波电机【6 】。目前，日本 的超声波电机应用专利已涉及风扇、自动门、机器人、微动台、控制阀、光偏向器、 图像输入装置、指示装置、x y 定位仪、磁盘驱动装置、家电产品等诸多应用领域【6 i 。 在对超声波电机进行产业化的同时，日本的许多研究室也着力开展超声波电机的 应异i 研究，以扩大超声波电机的应用领域。爱知工业大学a k a t o 教授利用超声波电机 对人造手进行控制【5 l ，山形大学y t o m i k a w a 教授将超声波电机应用于微型机械人【6 】， 东京工业大学则对超声波电机进行了各类环境试验以及耐久性试验等【6 l 。另外，日本的 超声波电机研究也集中在新型超声波电机的研发中，主要有大力矩超声波电机、微小 型超声波电机、直线型超声波电机、声表面波超声波电机、非接触式超声波电机以及 三自由度超声波电机等归1 。 美国的超声波电机研究和应用也非常活跃。在对行波型超声波电机进行深入研究 的同时，也在进行作为微型驱动器的薄膜型超声波电机的研究1 7 1 。超声波电机在美国的 应用研究主要用于发展火星计划中陆地操作手臂上高力矩密度的固态驱动器，以适应 恶劣的空间环境，在用于飞船勘查的自动爬行系统中，有报道也使用了超声波电机， 以缩小体积、减轻质量i ”。 虽然，超声波电机最早是由前苏联的科学家提出来的，并且在8 0 年代，其超声波 电机研究度处于领先地位，设计了2 或3 自由度u s m 、人工超声肌肉以及步进电机 等重要成果【9 1 。但由于解体后，经济困难，研究活动也逐渐减少，目前只有几个主要的 研究机构还在工作。 我国于8 0 年代末开始超声波电机的研究，先后有哈尔滨工程大学水声研究所、清 华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、长春光机所、吉林工业大学、南京航空航天大 学、北京科技大学、天津大学、上海冶金研究所、华中科技大学、东南大学、信息产 业部电子第2 1 研究所等单位，其内容涉及超声波电机运动机理、控制方法以及样机的 哑赳至旦这验：垂查型述凸垩遁羹旦煎匦当塑盟逝查塑直鎏皇熟耋型竺竺! ：堡堂蒌主些丝 华中科技大学硕士学位论文 ：一：= = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = # 研究成果。 l4 超声波电机的实际应用 本节将结合超声波电机的应用实例，管中窥豹，进一步了解超声波电机广阔的应 用前景。 ( 1 ) 在照相机自动调焦装置中应用 1 9 8 7 年，佳能有限公司生产出了第一台由超声波电机驱动的自动聚焦镜头【l “，这 种环形旋转超声波电机是超声波电机第一次成功的产业化应用。图1 6 给出了该电机的 定子和转子图。袭1 2 给出了实际电机的参数。电机使用定予侧的七阶振动模态。以 e f 3 0 0 m m f 2 8 自动聚焦镜头为例，其空载速度和动作力矩分别为4 0 r a i n 和o 1 6 n m ， 满足镜头的工作需要，输入功率不超过1 w ，因此普通电池就可以满足供电要求。另外， 此类电机独有的环状结构使之易于在柱状镜头外围装配，从而大大节省空间，结构非 常紧凑。在此之前，直流电机被装配在照相机主体上，需要附加齿轮减速系统以驱动 镜头，响应时间在1 0 0 m s 左右。使用超声波电机，动作时间缩短在十几毫秒以内，同 时还实现了无声对焦。目前佳能公司这种电机的月需求量在2 3 万台。 罔1 6 用于自动聚焦镜头的 行波型超声波电机 表1 2 佳能3 0 0 2 8 l 型超声波电机基本参数 单位3 0 0 2 8 l 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 在手表中的应用 超声波电机不产生电磁场，也不受磁场干扰的特性，使超声波电机在手表中的应 用值得期待。1 9 8 9 年a k u m e d a 博士研制出种“呼啦圈”式的超声波电机，并宣称 这种利用( 1 ，1 ) 模态的超声波电机可用于钟表驱动。s e i k o 公司紧随其后研制出了 体积更小、效率更高的超声波电机，用于手表的振动报警。该电机利用b 0 3 弯曲振动 模态，工作频率i o o k h z ，由钮扣电池提供能量，表1 3 给出了这种手表的基本参数。 表1 3s e i k o 手表用超声波电机的基本数据 外径 厚度 驱动电压 空载转速 启动力矩 空载电流 ( 3 ) 在打印机中的应用 佳能公司在成功将超声波电机应用于照相机自动聚焦系统之后，又将其用在 c p 2 1 0 0 系列彩色打印复印机中【1 2 1 。这种安装在感光鼓尾端的超声波电机利用了其精 确定位的性能，在打印过程中，驱动感光鼓，避免鼓头滑动，而使打印的色彩效果更 好。图1 7 所示为安装了超声波电机的感光鼓。 图1 7 尾部安装了超声波电机的感光鼓 n 盯 n | i v 鬻 4 3 6 o 6 华中科技大学硕士学位论文 1 5 本文的研究背景、目的和主要研究内容 超声波电机在微小型功率领域中的优势，使我们对其应用充满憧憬。但由于超声 波电机从出现到发展还仅有二十年左右的时间，其运动机理及控制规律方面还有一些 亟待解决的问题，研究工作还需要进一步深入。 目前的研究工作主要涉及以下几个方面： 第一，新型电机的研究和开发。基于压电陶瓷的压电效应，进一步扩展超声波电 机的新型结构形式，主要有微动超声波电机、直线型超声波电机、矩形板压电振子型 超声波电机【1 1 1 、无接触式超声波电机等。 第二，超声波电机的建模和设计理论研究。目前研究集中在环形行波型超声波电 机的数学建模、最佳设计方面。其中数学建模的：【作主要包括对超声波电机系统的数 学模型、定转子的接触模型、定子的压电复合层板的数学模型的深入研究等。在对超 声波电机的最佳外形尺寸、压电陶瓷。的排列方式以及电机的最佳装配方式等的研究中， 又以定子的动力学特性研究最为突出。 第三，超声波电机的驱动控制技术研究。主要包括p i d 控制、自适应频率跟踪控 制、模糊控制以及神经元网络控制技术在超声波电机驱动中的应用研究等。 第四，产业化应用研究。主要包括环形行波型超声波电机和棒形扭转复合型超声 波电机的产业化生产技术研究，驱动控制装置的集成化问题研究等。 第五，材料研究。主要包括用于超声波电机的压电陶瓷材料、定转子间摩擦接触 材料、以及压电陶瓷与金属弹性体粘结材料的研究等。 图1 8 直径8 0 m m 环形行波型超声波电机系统 o 华中科技大学硕士学位论文 作为研究热点，环形行波型超声波电机是目前应用较为广泛的- - f o 超声波电机类 型目前国内许多大学都对其进行了研制，但都处于仿制的阶段。图1 8 所示为本课题 组试制的一套直径8 0 m m 环形行波型超声波电机系统，由驱动电路和电机本体两部分 组成。其中，驱动电路为电机提供相位相差9 0 。的两路正弦超声频电压信号，加在贴 附在定子弹性体底部的压电陶瓷上，利用其逆压电效应，在定子弹性体内激发并合成 行波，使定子表面质点做椭圆运动，位移最大的质点通过摩擦涂层与弹性滑动片接触， 并依靠摩擦力的作用驱动转予旋转，最终驱动外界机械负载。为了增大定子振动的振 幅，增大输出力矩，提高电机工作效率，所加激励的频率必须与定子的固有振动频率 接近，使系统工作在谐振状态。 显然，作为压电陶瓷片与金属弹性体复合的环形定子，其动力学特性决定了电机 的工作方式和工作频率。因此，本文将以定子为研究对象，借助有限元分析软件 a n s y s ，分析其动力学特性，确定电机的最佳工作方式和频率，并通过研究定子结构 参数刘定子动力学特性的影响，给出了定予主要尺寸的选择范围，为电机的设计、制 作和试验研究提供有力的理论依据。 基于上述目的，本文将从以下几个方面展开讨论： 绪言。介绍超声波电机的特点和优势，系统总结国内外超声波电机的研究历史、 发展现状以及应用情况。 压电陶瓷特性及其应用。压电陶瓷是超声波电机的核心材料，其逆压电效应是电 机工作的基础。因此本文系统地介绍了压电陶瓷材料的特性以及用于超声波电机的压 电材料的特殊要求。作为在电机中的具体运用形式，对压电振子的谐振特性也做了洋 细的介绍。 环形行波型超声波电机运行机理。从超声波电机独特的工作原理出发，结合压电 振予的具体形式，介绍了这种电机的分析设计方法及其实施过程。在此基础上，依掘 环形行波超声波电机的基本结构及工作原理，确定了定子优化设计研究的目标，并指 出了利用有限元方法分析定子动力学特性的优势。 环形行波型超声波电机定子结构特性分析。基于a n s y s 软件，计算环形行波型超 声波电机定子的动力学特性，通过结果分析，给出结构设计的最优化方案。 筻塞量! 堂笙全塞王佳! 堂出羞王查缱鲎二生堕窥数四题： 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 2压电陶瓷的特性及其应用 内容提要：本部分介绍了超声波电机的核心材料压电陶瓷的相关特性，系统介绍压电 陶瓷的正、逆压电效应及其表达方式，简要介绍了描述压电陶瓷性能的主要参数，最 后描述了在超声波电机中得到实际应用的压电振子的工作特性。 超声波电动机是利用压电陶瓷材料的逆压电效应，将电能转换为机械能的一种压 电换能器。作为各类超声波电动机的关键材料，压电陶瓷是电机工作的基础，也是不 同电机型式研制和开发的核心。因此，深入了解压电陶瓷材料的各种性能将有助于理 解超声波电机的工作原理，更是对其进行建模的基础。下面将着重结合p z r 压电陶瓷 做详细介绍。 早在1 8 8 0 年，法国的居里( c u r i e ) 兄弟在研究石英晶体的物理性质时，发现了压 电效应【1 4 1 。即当在某些各向异性的晶体材料上施加机械应力时，在晶体的某些表面上 会有电荷出现，并称具有此效应的晶体为压电晶体。不久，居里兄弟又发现了由于电 场作用而使压电晶体产生形变的逆压电效应，如图2 1 ( a ) 、( b ) 所示。实验证明，凡具有 压电效应的晶体也一定具有逆压电效应，二者一一对应。需要说明的是，作为压电体 具有的特殊性质，逆压电效应与经常所说的电致伸缩效应是有重大区别的。后者由于 诱导极化作用而产生的形变与外电场平方成正比，但与外电场的方向无关；而逆压电 效应所产生的形变与外电场成正比关系，而且当电场反向时，形变也要发生相逆的变 他j ： ( a ) 正压电效应示意图 ( b ) 逆压电效应示意图 图2 1 压电效应示意图 1 2 电场方向 ， 华中科技大学硕士学位论文 自发现压电性以后的几十年中，压电学仅是晶体物理学的一个分支。人们普遍认 为e 电材料只是压电单晶材料。直到1 9 4 5 年前后，美国的韦纳等人、前苏联的伍尔和 戈得曼、日本的小川才分别发现钛酸钡( b 日0 仍) 具有异常高的介电常数【1 4 】，在此基 础上，才有人发现b a t ，0 3 具有压电性。从此，压电材料有了两大类：压电单晶和压电 陶瓷。 1 9 5 4 年，美国b 贾菲等人发现了p b z r o j p 6 n 仍俨z 力固溶体系统 】。这一系统 材料具有比b a t ，0 3 更优越的性能：居里点高，机电耦合系数大，机械品质因数高，时 间和温度稳定性好，改性后压电性能还能提高。彪丁系压电陶瓷的出现是一件划时代 的大事 7 1 ，它使许多器件的制作成为可能，并在以后派生出了p c m 、尸三z 丁等一系列新 的压电陶瓷，进一步拓展了压电陶瓷的应用领域。 在各类超声波电机中使用的压电陶瓷材料多为p z r 系压电陶瓷，下面将着重讨论压 中陶瓷的性能。 2 1 压电陶瓷的内部结构及压电效应 压电陶瓷是各部分晶格取向不同的多晶体。目前应用最广泛的压电陶瓷，例如钛 酸钡( b a t i 0 3 ) 、钛酸铅( p b t i 0 3 ) 、锆钛酸铅( p b ( z r 。醌0 3 ) 、铌酸钾钠( k x n a j x n b 0 3 ) 等， 都属于钙钛矿型结构，共同点是化学分子式的形式相同，都可以写成a b 的形式。目 前生产的压电陶瓷，除了采用单一的化合物外，还采用两种或两种以上的a b 仍形式化 合物形成圃溶体。超声波电机常用的锆钛酸铅( p z t ) 系压电陶瓷就是锆酸铅和钛酸铅形 成的固溶体，它的一部分钛离子被锆离子所替代，但仍然保持了a b 仍的晶体结构。 具有钙钛矿型结构的压电陶瓷，在不同的温度下晶体结构会发生变化。当温度高 于某一温度疋时，晶格为立方晶系，无自发极化；当温度低于疋时，转变为四方晶系， n i 负电荷中心不重合，有自发极化。疋称为居里温度。在居里温度以下，各个晶胞的 极化取向可能彼此不同，为了使晶体能量处于最低的状态，晶体中会出现若干小的区 域，各个小区域内的晶胞的自发极化方向相同，自发极化方向一致的区域成为电畴， 因此晶体内包含了许多电畴。如果在一块多畴的压电晶体上加上足够高的直流电场时， 电畴将会运动直至形成一个自发极化方向与外电场方向一致的单畴。这种自发极化方 华中科技大学硕士学位论文 = = 一：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = 一 向可以因为外电场作用而转向的性质，成为压电晶体的铁电性，具有该性质的材料成 为铁电体。压电陶瓷和压电单晶都是铁电体。 在压电陶瓷的生产过程中，必须经过极化，即在压电陶瓷上旎加一足够高的直流 电场，迫使陶瓷内部的电畴转向。没有经过极化处理的压电陶瓷，由于晶体内存在若 r 自发极化方向不同的电畴，陶瓷的极化强度为零，只有在经过极化处理后，压电部 陶瓷的自发极化都在一个方向上，当外电场为零时，压电陶瓷的极化强度不为零，从 而为其产生压电效应创造条件。 下面结合图2 _ 2 说明压电陶瓷的压电效应。图示圆柱体为已极化后的压电陶瓷， 外接一个灵敏电流计。图2 2 ( a ) 所示，电流计上无指示，这是因为，极化后的压电陶瓷， 在其表面上吸附了符号相反且等量的自由电荷，把压电陶瓷所带的电荷中和了，因此， 电流计不能测出此时压电陶瓷所带的电荷。 极 化 轴 j 船酗 窜毋e 图2 2 压电陶瓷的压电效应 如图2 2 ( b ) 所示，当压电陶瓷受到压力作用后，圆柱体被压缩了，此时极化强度变 小，电偶极矩的数值变小，在电极面上的自由电荷将有一部分多余电荷通过回路释放 出来，此时电流计上将有指示。同样，当对圆柱体施加拉力，如图2 2 ( c ) 所示，圆柱体 拉氏，电流计也将有指针偏转，说明压电陶瓷在外界机械应力的作用下，极化强度发 生厂变化，表面出现电荷，从而产生正压电效应。 将压电陶瓷置于电场中，如图2 2 ( d ) f i f i 示, , ，由于电场的方向与极化方向相反使压 电陶瓷的极化强度减小，圆柱体产生收缩变形；当电场反向时，压电陶瓷的极化强度 华中科技大学硕士学位论文 i i-i - = = = = = = = = # = = = = = = = = = = 一 增强，圆柱体伸长，如图2 2 ( e ) 所示。这种e h ：y - 电场的作用而使压电体发生形变的现象， 就是逆压电效应。超声波电机就是利用压电陶瓷的逆压电效应工作的。 图2 2 ( 0 所示，为压电陶瓷在交流电场作用下的情形。此时，圆柱体将产生伸缩变 形，当外电场的频率与压电陶瓷的固有频率一致时，圆柱体的伸缩变形将会达到最大， 因此可以用作压电振子。 2 2 压电陶瓷的性能 2 2l 压电陶瓷的压电效应表示式 图2 3 所示为一块经过极化后的压电陶瓷，令极化方向为3 方向( 如没有特别浣明， 后丈论及方向与此同) ，与3 方向垂直的阴影面为电极面，r l 、乃，乃分别为沿1 、2 、 3 方向施加的伸缩应力，作用面分别为a l 、a 2 、a 3 ，t 4 、7 5 、t 6 分别为施加在a l 、a 2 、 爿3 面上的剪切应力，对应关系为t 2 3 一乃，死3 一乃，乃2 一死，且= 乃i ( i j = l ，2 ，3 ) 。 图2 3 极化后的压电陶瓷 如前文所述，只有在3 方向的极化状态发生改变时，才能产生压电效应。换言之， 在伸缩应力作用下，只有压电陶瓷沿3 方向产生了伸缩形变，才能产生沿3 方向的压 电效应；在切应力的作用下，只有使沿3 方向的极化强度发生偏转，l 或2 方向上出现 极化分量，改变了原来无极化的状态，从而产生沿1 或2 方向的压电效应。 综上所述，压电陶瓷的逆压电效应表示式为 d 3 = d 3 l 曩+ d 3 2 l + d 3 3 l ( 2 i ) 上 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 d 2 = d 1 4 ( 2 2 ) d = d 、5 t ( 2 3 ) 其r 1 ，电位移d 表示面电荷密度，单位为库仑米2 ；盛( i j = l ，2 ，3 ) 为压电常数，单位 为库仑牛顿或米伏，且以= d ，：，d 。= d 1 5 i 应力的单位为牛顿米2 。将以上三式写 成钳，阵形式，即为 ， m o 阱b ；隧 ( 2 4 ) 通过这个式子，我们可以更清楚地看到，压电陶瓷不是在任何方向都存在压电效应， 只有在某些方向在某些作用力的作用下，引起极化强度的变化，才+ 能产生正压电效应。 与以上情况相反，将压电陶瓷置于外电场中，电场的作用将使其发生形变，即产 生逆压电效应。若j i - d i 电场为e ，贝口逆压电效应的表示式为 s l s 2 s 3 s 4 s 5 s 6 0 0 0 0 d l s 0 0 0 0 d 1 5 0 0 ( 2 5 1 其中，s 表示应变，s 1 、& 、岛对应三个方向上的伸缩应变，函、岛、为剪切应变， 对应关系为3 咱，s 1 3 乳、s 1 2 风，且s i j - - s j i 5 0 0 ，以3 2 5 0 p c m ，压电陶瓷片上各极化分区测量到的压 电系数差值在l o 之间。 作为永久性极化的材料，压电陶瓷在使用过程中要注意以下几点： ( a ) 材料的工作温度应保持远低于居里点 当压电陶瓷的工作温度接近其居里点时，电偶极子就会回到无序状态，压电性能 逐渐变坏。当元件到达居里点温度时，便遭受永久性损坏，其压电性能将完全消失。 因此，要使材料能连续工作而又不会出现明显的退极化，则必须在远低于居里点的温 度下进行工作。安全的温度极限是在0c 和居里温度之间的一半处。 ( b ) 不应放在很强的交变电场或与极化方向相反的直流电场中 华中科技大学硕士学位论文 一= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= 一 若在压电陶瓷上加一个与原来的极化电压反向的强电场，则往往引起退极化。引 起严重退极化所需要的电场强度取决于材料的类别、外加电场的持续时间和温度。但 是，当外加静电场时，引起退极化的典型值是在5 0 0 v r a m 至1 0 0 0 v m m 的范围内。 f c ) 施加在材料上的机械应力不应超过规定的极限。 当对压电元件施加过高的机械应力时，则出现机械退极化。因而，陶瓷中偶极子 的有序取向就有立即被破坏的危险，继而引起元件的压电性能变坏。 2 3 压电振子 2 3 1 压电振子的谐振特性和振动模态 压电陶瓷由于其压电性以及由压电性而引起的机电性能的多样性而得到了广泛的 应耳| 。压电陶瓷是谐振体，当它被当作压电元件是，就称为压电振子或压电陶瓷振子。 利用压电振子的谐振特性，可作成许多器件。压电陶瓷在超声波电机中的应用即利用 了压电陶瓷在超声频域的振动，因此压电振子的谐振特性及其振动模态是我们关注的 重点。 压电振子不论从机械的角度还是电的角度来看都会发生谐振。在不考虑机械损耗 的情况下，把交流电压如在压电振子上，由于逆压电效应，振予将产生应变，激发起 振子的机械振动。机械振动引起形变，并通过正压电效应产生反馈电流。当外加驱动 电压的频率与压电振子的机械谐振频率一致时，振子的机械振幅将达到最大，此时驱 动电流与反馈电流同相，流过振子的电流最大，振子呈现的阻抗最小。当驱动电压的 颁率超过谐振点时，反馈电流逐渐滞后于驱动电流，并在某一频率处反相，流过振子 的电流最小，振子呈现的阻抗最大。 外电场在压电陶瓷中激发振动模态，必须要由适当的机电耦合途径，沿着压电体 的某一方向施加电场，并根据与该方向相关的非零压电常数来判断是否有振动模态被 激发。通常激发的振动模态可以分为如图2 4 所示四类： ( a ) 垂直于电场方向的伸缩振动模态( 横向振动模态) ： ( b ) 平行于电场方向的伸缩振动模态( 纵向振动模态) ： 一1 矿一 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一： ( c ) 垂直于电场平面内的扭转振动模态； ( d ) 平行于电场平面内的扭转振动模态。 图24 四种压电振动模式 压电陶瓷有5 个非零的压电常数：西l = 为2 ，d 3 3 ，d l5 = d 2 4 ，若沿着极化轴施加电场 时，通过幽的耦合可以在3 方向上激发纵向振动模态，通过西1 、如2 耦合可以在1 和 2 方向上激发横向振动模态，而沿着l 或2 轴施加电场时，通过凶5 或疵4 的耦合可以 激发绕l 或2 轴的扭转振动。 2 32 超声波电机用压电振子 2 超声波电机用压电振子包括单压电片、双压电片振子和螺栓紧固型郎之万振子。 图2 5 所示的压电振子由片两面烧结了银粉的压电元件贴置在金属环上构成，它是环 形行波型超声波电机的主要部件，也可以作为面内振动模态和面垂直振动模态的压电 振子，其表面电极的分割数由所需模态的周向阶数决定。单压电片和双压电片型的压 电振子与弹性体的粘结多采用环氧系列粘胶，粘结层大多硬而薄，效果较好。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一 图2 5 旋转型压电振子 螺栓紧固型郎之万振子具有较大的功率输出，在超声波清洗、加工机械等强力超 声波领域有着广泛用途。它由螺栓将两块金属体( 金属铝或不锈钢) 并两块压电元件 审接央持而成。由于压电陶瓷的抗拉能力弱抗压能力强，采用螺栓预紧可以使其变形 偏向f 压缩区域，从而获得较强的振动位移。当然，为了获得优良性能，金属块和压 电片之间必须保持良好的机械接触与导电性。 华中科技大学硕士学位论文 3 环形行波型超声波电机运行机理 内容提要：从超声波电机独特的工作原理出发，结合压电振子的具体形式，介绍了这 种电机的分析设计方法及其实施过程。在此基础上，介绍了环形行波超声波电机的基 本结构及工作原理。 前文所介绍的旋转型压电振子构成了环形行波型超声波电机的主体，正是贴附其 土= 的压电陶瓷，在外加电信号的激励下，由逆压电效应的作用，产生形变，与转