（电机与电器专业论文）液体媒质超声波电机有限元分析.pdf

a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h ec o n t a c tt y p eu l t r a s o n i cm o t o r , t h en o n c o n t a c tt y p eo 聆 r e s o l v e st h ep r o b l e m sc a u s e db yf r i c t i o n , s u c ha ss h o r t e rl i f e e x p e c t a n c ya n d c o n t i n u o u sr u n n i n gt i m e t h e r e f o r e , i tb c c o l l l e s , an e wr e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef i e l d o fu l w a s o n i em o t o r 1 1 1 em o t o ri n t r o d u c e di n t h i sp a p e ri san o l l c o n t a c tt y p e u l t r a s o n i cm o t o r 谢mf l u i dm e d i u m 1 1 1 er o t o rs w i m m i n gi nf l u i di s n ti nc o n t a c tw i t h t h es t a t o rd i r e c t l y 1 1 l ce n e r g yp r o d u c e db yt h ep i e z o e l e c t r i cv i b r a t i o ni st r a n s f e r r e d f r o mt h es t a t o rt ot h er o t o rt h r o u g ht h ef l u i dm e d i u m , w h i e l ar o t a t e st h er o t o r s e v e r a ls u b j e c t si nr e l a t i o nt ot h es i i u c i u i i ba n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，v i b r a t i o n o f t h es t a t o r , a c o u s t i cs t r e a m i n gf i e l da n ds a t u r a t e df l o wv e l o c i t ya r ec o v e r e d a tf i r s t , t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i cm o t o rl l l - eb r i e f l yr e v i e w e d 西e b a c k g r o u n da sw e l l1 1 st h es t a t u so ft h er e s e a r c h0 1 1t h e1 1 0 n - c o n t a c tt y p eu l t r a s o n i c m o t o ri sh i g h l i g h t e d t h e n , t h em o t o rs t r u c t u r ea n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e 啪 p r o p o s e d - n 璩u n i q u es t l a l e t u r eo ft h em o t o ri sa a y z e di nd e t a i l t h ep r o d u c t i o no f t h ev i b r a t i o n , t h ef o r m a t i o no ft h es t a n d i n gw a v e t h ee o m b i n a t i o r lo ft h et r a v e l i n g w a v ea n dt h ep r o c e s so fe n e r g yt r a n s m i s s i o ni nt h ef l u i da r ed i s c u s s e d n e x t ，f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ( f e m ) i sa d o p t e dt oa n a l y z et h ev i b r a t i o no f t h es t a t o r s t a r t i n gf r o m t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gm e c h a n i s m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no f t h ev i b r a t i o ni sc o n d u c t e d a t c e rt h a t , an e wf i n i t ec l e m e n tm e t h o db a s e do i lt h e n o n l i n e a rw i l v i 。e q u a t i o nd e r i v e db yk u z n e t s o vi sa p p l i e dt os i m u l a t et h ea c o u s t i c s t r e a m i n gf i e l d a tl a s t , s a t u r a t i o no ft h ea c o u s t i cs t r e a m i n gi sh i g h l i g h t e d i ti s r e v e a l e dt h a ta c o u s t i cn o n l i n e a r i t yi st h em a i nc a u s eo fs a t u r a t i o no ft h ea c o u s t i c s t r e a m i n gv e l o c i t y , w h i c hi sa n a l y z e df r o mt h en o n l i n e a ra c o u s t i c sl a t e r b a s e d0 1 3 t h e h u m e r i e a la n a l y s i s ，t h es a t u r a t e df l o wv e l o c i t yi sd i s c u s s e df u r t h e r k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r ；, n o n - c o n t a c t ；f l u i dm e d i u m ；v i b r a t i o n ；a c o u s t i c s t r e a m i n gf i e l d ；s a t u r a t e df l o wv e l o c i t y ；, f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名后歹卫签字隰御r 年f 明咖 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘璧有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 2 导师签名： 签字日期：? ，衫年f 名月g 日 丧名 签字日期：扣降l y 月攻尹日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 是近十几年来迅速发展起来的 一种新型电机，其利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动( 机械振动频率 2 0 k h z ) ，借助弹性体谐振放大，通过摩擦耦合产生旋转运动或直线运动，将压 电振子在超声频域的振动能转换成机械能。超声波电机的原理完全有别于传统的 电磁感应电机，以大力矩、低转速、无噪声、抗电磁干扰和响应速度快等优良性 能，成为一种新颖的微特电机，在航空航天、微型机械、机器人、自动控制系统 等领域有着广泛的应用前景，引起了国内外电机工程界的广泛关注。目前，已研 制出各种形式的超声波电机产品，应用于光学仪器、机床设备、机器人、办公设 备、家用电器和汽车电器等领域。 但是传统的接触型超声波电机由于定、转子之间具有摩擦接触，不可避免存 在许多难以克服的问题：( 1 ) 接触面的磨损大大降低了电机使用寿命和可靠性； ( 2 ) 摩擦损耗会产生热量，降低了电机工作效率；( 3 ) 定、转子表面接触限制 了电机转速的提高；( 4 ) 电机不能连续长时间处于运动状态，其应用领域受到一 定限制；( 5 ) 定、转子间使用的摩擦材料使电机构造复杂、成本增大。 在寻求克服传统接触型超声波电机存在问题的过程中，非接触超声波电机应 运而生，它的出现为超声波电机的发展提供了崭新的思路，成为超声波电机领域 一个新的研究方向。与接触型超声波电机依靠定、转子间的摩擦实现能量传递相 区别，非接触型超声波电机定、转子并不直接接触，而是通过气体或液体媒质间 接传递能量，它具有如下特点：( 1 ) 定转子相分离，转速较高，但输出转矩较小； ( 2 ) 无摩擦，寿命较长；( 3 ) 转子转动方向与定子体振动所产生的行波前进方 向相同。非接触型超声波电机有效地克服了接触型超声波电机因摩擦传动存在的 缺点，但以牺牲输出转矩为代价。目前所研究的非接触超声波电机都是基于行波 的，即由定子弹性体激励出行波，利用声辐射力或声流来实现驱动。本文主要研 究定、转子之间依靠液体媒质传递能量的新型非接触超声波电机。 基于液体媒质的非接触型超声波电机利用定子振动产生的非线性声场在液 体媒质中激发出声流，通过声流驱动转子旋转，定转子之间无摩擦，提高了电机 的寿命，保证了电机能够长时间运行，同时可以通过控制液体媒质的种类、液位 第一章绪论 高度等因素获得不同的电机转速特性。定子在液体媒质中激发出液体的稳定流 动，可以实现对液体的直接驱动，因此特别适合直接驱动液体的场合。电机结构 简单，形式灵活，非常适合小型化，可望应用于一些有特定要求的场合，如微型 泵、微机械的散热驱动部分等。 由于液体媒质非接触型超声波电机的发展历史很短，尚属发展的初始阶段， 其工作过程的精确理论、技术特性的极限估计、控制特性的分析、效率的提高以 及新振动模式的应用等还有许多问题有待研究解决。本文尝试应用流体力学、非 线性声学、振动学、有限元方法和实验基础等方面的知识对其某些方面进行研究 与分析。 1 2 超声波电机的发展 分析超声波电机的整个发展历史，主要可分四个阶段【1 3 】： ( 1 ) 萌芽阶段 1 9 6 1 年，b u l o v a w a t c hl t d 公司首次提出了采用弹性力对弹性体进行激振、 利用被激振的弹性体振动能量作为驱动力的理论，在国际上引起了轰动，同时也 揭开了超声波电机研究的序幕，包括原苏联、德国、美国、日本在内的研究人员 相继开展了相应的研究。 ( 2 ) 原理性样机阶段 1 9 7 2 1 9 7 3 年，由德国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用 前景的超声波电机，但由于压电材料在几十千赫兹甚至更高驱动频率下工作时振 幅太小，不能得到大力矩，无法推广。1 9 7 3 年，璐m 公司h v b a r t h 提出一种驻 波型超声波电机，其力矩较大，转速较高，但寿命较低【4 】。与此同时，前苏联的 v v l a v r i n e n k o 等人也研制了具有同样原理的几种超声波电机。1 9 7 8 年，前苏联 的v a s i l i e v 成功地构造了一种能够驱动较大负载的超声波电机，其特点是采用了 换能器原理，降低了共振频率，扩大了共振振幅，但因种种原因都没有实用1 5 i 。 ( 3 ) 实用性样机阶段 8 0 年代以后，超声波电机研究中心由前苏联转移到了日本。1 9 8 0 年指田年 生在v a s i t i e v 的研究基础上，提出了一种楔形驻波型超声波电机，其工作频率为 2 7 8 k h z ，输入功率9 0 w ，输出转矩为0 2 5n m ，机械输出功率为5 0 w 。这是 第一个满足了实际使用要求的超声波电机，但该电机存在两个缺点：一是振动片 与转子接触处磨损严重，二是转子转速较难控制，仅能单方向旋转。 ( 4 ) 实用阶段 真正使超声波电机走向实用化的是指田年生。指田年生1 9 8 2 研制的行波型 2 第一章绪论 超声波电机，定子由两组压电片和带齿弹性体组成，转子以一定压力与定子接触。 两组压电片在定子弹性体环中激励并叠加成行波，定子弹性体表面质点做椭圆运 动，转子以一定压力与定子弹性体波峰接触，通过摩擦力驱动做旋转运动【6 】。行 波型超声波电机实现了由定点定期推动转子变换成多点连续不断地推动转子，大 大地降低了接触面上的摩擦磨损，这为超声波电机走向实用开辟了道路。这种电 机的商业应用是在1 9 8 7 年，同时，指田年生创建了新生工业公司，这是超声波 电机从实验走向商业应用的一个标志。同年，日本佳能公司研制出了第一台用于 相机自动变焦的环状超声波电机。随着行波型超声波电机成功的商业化应用，引 起了各国的学术界和产业界对超声波电机进一步的认识和重视，极大地推动了超 声波电机的研究和发展。 目前，日本的超声波电机技术处于世界领先地位，掌握着世界上大多数的超 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研 究。日本在基础理论、制造技术、控制策略、工业应用和规格化产品研发等诸方 面都取得了引人注目的成就，成果与水平居世界领先地位。美、英、法、德等国 紧随其后，各自在相关的方面取得了一定的研究成果。目前，美国已将超声波电 机成功地应用于航空航天、信息和汽车产业领域；法国用于空空导弹导引装置： 德国则用于飞机的电传操纵系统。 上述超声波电机的发展历史主要属于定、转子接触型的传统超声波电机，其 特点是定、转子依靠接触产生的摩擦力来驱动电机运转，它涉及到摩擦磨损这一 传统的难题，存在转速低，寿命短等缺点。为了克服这些缺点并拓宽超声波电机 的应用领域，以牺牲转矩为代价的定、转子非接触型超声波电机应运而生，成为 近些年超声波电机领域的一个重要研究方向f 例。 超声波电机的研究方兴未艾，各种新型的超声波电机不断涌现，同时传统结 构超声波电机的性能也在不断提高，与最初的超声波电机相比，输出转矩、效率、 功率因数等技术指标明显提高，而且经济性、可靠性、寿命等方面都有了显著的 提高，超声波电机的用途和应用领域也在不断地扩大。甚至，超声波电机与驱动 机构出现了一体化的趋势，而且在纳米级加工领域特别是半导体加工领域，超声 波电机正在逐渐发挥作用。 1 3 超声波电机的分类 按照输出形式不同，超声波电机可以分为旋转型电机和直线型电机。旋转型 电机输出旋转运动，应用较为普遍。而直线型电机的输出运动形式则是直线，一 般被应用在物料输送的传动机构上。 3 第一章绪论 按照运行方式的不同，超声波电机可以分为定、转子表面接触型超声波电机 和非接触型超声波电机两种类型【lo 】。接触型超声波电机的定、转子直接接触，这 种电机一般是弹性体通过摩擦材料直接与移动体接触，依靠摩擦力耦合驱动移动 体运动，其响应速度较传统结构的电机快，但使用寿命较短。接触型超声波电机 根据接触方式的不同，又可具体划分为：连续的局部面接触方式( 如行波型超声 波电机) 、连续的点线接触( 如柱状弯曲振动型超声波电机) 、断续的点线接触( 如 楔形驻波型超声波电机) 和断续的整个面接触( 如纵扭复合型超声波电机) 。与 接触型超声波电机相区别，非接触型超声波电机的定、转子不直接接触，以气体 或液体为媒质，以牺牲输出转矩为代价，克服了接触型超声波电机由于摩擦接触 所带来的效率低、寿命短等缺点。由于非接触型超声波电机的研究工作起步较晚 且投入精力有限，国内外对于其研究还处于起步阶段。 按驱动方式不同，超声波电机可以分为行波型超声波电机和驻波型超声波电 机【2 】。从超声波电机的基本工作机理来看，其本质是激发与转子或滑块相接触的 媒质表面质点的椭圆振动轨迹，通过能量传递使转子或滑块作旋转或直线运动。 表面质点振动从宏观上表现为波的形式，而激发超声波电机传动媒质质点椭圆振 动轨迹的仅有两类基本的波，即行波和驻波。行波型超声波电机的特点是在弹性 体内产生单向的行波，利用行波表面质点的椭圆振动轨迹传递能量。由于波传播 具有反射性和双向性，采用单个压电激励源不可能在细长弹性体环或棒内产生单 方向的行波，只能产生驻波。因此，要在有限长弹性体内产生单方向行波，必须 采用防止波反射的措施或采用两个压电激励源，通过激励的两驻波合成行波。驻 波型超声波电机是利用在弹性体内激发的驻波驱动移动体移动。单一的驻波其表 面质点作同相振动，不能够传递能量。驻波型超声波电机通过激发并合成相互垂 直的两个驻波，使得弹性体表面质点作椭圆振动，直接或间接驱动移动体运动。 按振动模态分类，超声波电机又可分为单一振动模态和复合振动模态两类。 复合振动模态由两个相异振动方向的振动合成，具体还可以分为四类：( 1 ) 用单 一驱动源由模态变换得到两个振动模态的模态变换型；( 2 ) 用同一压电陶瓷同时 激发不同种类的振动模态的多重模态型；( 3 ) 用单一频率不同相位激发伸缩振动 模态，并使模态回转的模态回转型；( 4 ) 由两个互异的压电陶瓷和驱动源激振产 生两个互异振动模态的复合振子型。 1 4 超声波电机的特点 传统的电磁型电机是利用通电导体在磁场中受力而获得驱动力，具有输出力 矩大、运行寿命长、转换效率高、转速可调范围大、转向可逆等特点，具有广泛 4 第一章绪论 的实用性。而超声波电机与电磁型电机不同，具有以下的特点【n ，： ( 1 ) 由于无铁心和线圈，因此抗电磁干扰性强，可正常工作在强烈变化的 磁场环境中： ( 2 ) 结构紧凑简单，形式灵活，设计自由度大，可与系统结构集成； ( 3 ) 结构轻巧，能量密度是电磁型电机的3 5 倍，是典型的低速大力矩电 机，可用于直接驱动； ( 4 ) 易调速，低速区平稳无脉动( 较一般低速电机诸如步进电机而言) ，但 在控制上又可实现步进驱动，而且定位精度高； ( 5 ) 停电后具有摩擦自锁功能，且在高频域振动，能量衰减极快，有极高 动态响应特性，易实现高精度的速度和位置伺服控制； ( 6 ) 无齿轮减速装置产生的间隙，可精确定位； ( 7 ) 无噪音运行； ( 8 ) 与直流电机相似的下垂的转矩一转速特性。 超声波电机与传统的电磁电机相比，也存在着明显的不足之处： ( 1 ) 连续运行导致特性恶化 由于超声波电机转子的转动是靠定子和转子之间的摩擦力来实现的，因此不 可避免存在摩擦发热和摩擦损耗。当温度上升后，超声波电机的金属特性与电特 性均会发生改变，导致其运行特性恶化。 ( 2 ) 寿命短 超声波电机寿命目前大约只有2 0 0 0 小时，与传统的电磁型电机相比，超声 波电机长时间工作的耐久性还不尽如人意。 ( 3 ) 超声波电机转速难以提高 因为存在着摩擦接触，大多数接触型超声波电机的转速为数十转分，在需 要高转速的场合难以应用。 1 5 超声波电机的应用 最近几年来，日本的超声波电机已经进入实用化的商业应用阶段，相对成熟 的环形、棒形行波型超声波电机已经批量生产。在美国，超声波电机在军事及航 空上取得良好的应用。目前超声波电机的应用主要局限在短时工作、高精度以及 应用特定功能的机器或者领域中【1 2 1 。其主要的工程应用有： ( 1 ) 照相机的自动聚焦装置 超声波电机已经成功应用于佳能公司的3 7 种型号的照相机中，月产量多达4 0 万台。尼康公司的相机也采用超声波电机。 第一章绪论 ( 2 ) 机器人多自由度移动 球形超声波电机的结构精巧性及良好的控制精度为多自由度机器人的驱动 装置解决了诸多的难题。美国n a s a r 的火星探测者计划中采用了高力矩密度的 双面齿轮结构超声波电机。实现多功能自动爬行系统直线或旋转运动，不仅满足 了手臂运动所需的力矩、能量、尺寸及驱动特性的要求，而且能够可靠地工作在 火星恶劣的环境中。 ( 3 ) 精密定位控制 带有反馈闭环控制的步进驱动超声波电机，其步进分辨率大于0 0 1 i _ t m ，在 光学和光电学的c d - r o m 监视系统中得到了实际应用。 ( 4 ) 物料输运 目前生产过程使用着一种物料输送装置，它利用低频的机械振动形成了对物 料的驱动，在工作中生成很大噪声。超声波电机则是在高频机械振动下工作，如 果将其转子或运动体置换为粉体或纸张等物料，就可以实现对物料的输送，且成 本低而噪声小。同时，利用非接触超声波电机技术制成的非接触晶片传输装置已 经应用于日本的半导体工业。 ( 5 ) 汽车专用电器 一 目前丰田公司已在出口到美国的汽车反光镜、方向盘和座椅头靠中应用了超 声波电机。该公司正在生产力矩为2 n - m 的超声波电机，将应用于小轿车上窗门 玻璃的升降。 此外，超声波电机还在医疗器械、微机械系统的集成、特种加工工艺、办公 自动化设备等方面都得到了较好的应用。 1 6 非接触型超声波电机的研究概况 非接触型超声波电机的定、转子不直接接触，因而克服了传统接触型电机的 一些缺点，它是超声波电机的一个新的研究领域。目前非接触型电机按定子的结 构可分为圆板型和圆筒型；按定、转子间的媒质可分为以气体为媒质和以液体为 媒质1 1 3 - 堋。 ( 1 ) 圆板型 非接触型超声波电机是由日本山形大学工学部广赖精二助教授首先提出的， 他设计的圆板型非接触超声波电机结构见图1 - 1 。定子采用p z t 压电陶瓷，涂覆 在其表面的叉指电极用来激励定子形成行波。转子与定子之间留有一小间隙。转 子由硬纸板制成，带有三个叶片。转子上方设有反射板，可用来提高电机转速。 电机定子采用b 。振型，驱动频率为3 0 k h z 。当电机在无负载、输入电压为1 0 0 v 6 第一章绪论 时，转速可达3 0 0 0 r p m ，而且当电机驱动频率与定、转子间空气柱的固有频率一 致时，电机输出效果最佳。这种电机由于采用圆板结构而易于薄型化、小型化。 图1 - 1 圆板型非接触型超声波电机 ( 2 ) 圆筒型 图1 - 2 为日本山形大学工学部铃木胜义教授等开发的圆筒型非接触型超声波 电机，其定子由不锈钢制成，长为9 0 m m ，内径为4 0 m m ，外径为4 2 m m ，转子 由硬纸板制成。圆筒外表面粘有p z t 压电陶瓷，采用两路电信号来激励定子形 成b 。模态的行波。电机驱动频率为2 0 5 k i - i z ，无负载最高转速可达9 5 0 r p m 。这 种电机结构简单，且压电陶瓷对定子圆筒的激振均匀。 ( a ) 定子( b ) 转子 图1 2 圆筒型非接触型超声波电机 图1 - 3 为日本东京工业大学t o h g o y a m a z a k i 等研制的圆筒型非接触超声波电 机。电机定子由硬铝制成，定子圆筒长为1 6 5 m m ，内径5 6 r a m ，外径6 1 8 r m n ， 并由两个郎之万振子激励形成行波。筒型的转子放置在定子筒内。当定子产生行 波时，转子悬浮起来并沿着行波前进方向旋转，其驱动频率为2 6 k h z ，电机最高 转速可达3 0 0 0 r p m 。由于电机采用了郎之万振子，使电机结构变得复杂，其占有 的空间较大，而且形状不规则，因而限制了它的应用场合。以上电机定、转子间 7 第一章绪论 都是以空气为媒质。 图1 - 3 采用郎之万振子的超声波电机 日本东京工业大学上羽贞行教授领导的研究小组对以水、盐水、硅油为媒质 的非接触型超声波电机进行了理论和实验研究。电机定子由硬铝制成，其长为 2 0 m m ，内径5 0 m m ，外径6 0 m m 。定子筒一端粘有p z t 压电陶瓷，另一端用橡 胶密封，定子筒内充有液体，由橡胶制成的转子浸在液体中。上羽贞行等人认为 雷诺切应力和正应力使液体产生流动，从而带动转子转动。在实验中发现当定子 驱动频率与定子筒内液体固有频率一致时，定子筒内液体流动最快，这为优化设 计电机提供了依据。 国内对于非接触型超声波电机的研究才刚刚开始，吉林工业大学、上海交通 大学和天津大学等高校已经开始对其理论和特性进行研列1 9 - 2 2 1 。吉林工业大学的 超声波电机课题组已试制出以气体为媒质的非接触型超声波电机样机，并对其定 予激励原理、转速特性等方面进行了研究。本文主要研究采用液体媒质的非接触 型超声波电机。 1 7 课题来源及研究内容 超声波电机的发展历史虽然比较短，但是由于其独特的驱动机理和一些优良 的特性，吸引了许多大公司、高等院校及其他科研机构投入大量的人力、物力和 财力对其进行研究，取得了很多可喜的成果。接触型超声波电机作为一种新型驱 动机构，已被广泛研究并逐步走向实用化。而非接触型超声波电机的出现，开辟 了超声波电机新的研究领域，通过对其深入研究，将会拓宽超声波电机的应用范 围。由于非接触型超声波电机特有的传动特性使其可用来搬运如半导体晶体片、 纳米微米材料等物品，从而避免了接触污染。此搬运的物体本身就是转子。这种 声悬浮技术及输运方法与磁悬浮、静电悬浮相比具有结构简单、价格便宜、容易 第一章绪论 实现的优点，具有很大应用潜力。 液体媒质超声波电机的研究为克服接触型超声波电机摩擦磨损这一具有一 定模糊性的传统难题提出了崭新的思路。由于对其研究起步较晚，所以迄今为止 还没有建立一套完整的理论体系，还有许多问题需要解决，主要为瞄】： ( 1 ) 液体媒质非接触压电超声电机的输出力矩较小，电机输出力矩的大小 与p z t 压电陶瓷材料性能、液体媒质的性质、水位高度、定子环振动模式及振动 阶数、驱动电路输出特性等有关，如何有效地提高其输出转矩是其实用化的重要 研究课题。 ( 2 ) 定子环振动速度较小时，电机转速随定子环振动速度的增加而增加； 当振动速度超过某一特定值时，流速将达到饱和。因此，有必要对饱和流速的形 成原因以及不同液体媒质的饱和流速极限进行研究。 ( 3 ) 由于在高粘度的液体中难以产生声流，因此通过对不同液体的研究从 而找到最适合于电机的工作环境；研究声波在不同液体媒质中的传递过程以及声 波传递过程中的能量损耗，研究定子振动频率对电机性能的影响以及雷诺切应力 和雷诺正应力对液体的作用。 ( 4 ) 需进一步研究液体媒质非接触型超声波电机特性、等效电路参数计算 方法以及电机精确设计理论，以提高电机工作效率。 ( 5 ) 建立电机控制模型，进行控制灵敏度解析；确定系统状态可控性、可 观测性和输出可控性评价指标，掌握电机控制响应特性规律，解决其转速稳定性、 快速响应及位置精确定位问题，完善电机控制系统。 。 ( 6 ) 开展新的振动模式的研究。 鉴于上述情况，本文展开了研究工作。本课题的研究得到了国家自然科学基 金( 5 0 2 0 7 0 0 6 ) 、高等学校博士学科点专项科研基金( 2 0 0 4 0 0 5 6 0 2 1 ) 与天津市自 然科学基金( 0 5 y f j m j c l l 3 0 0 ) 的资助。本文系统地论述了液体媒质超声波电机 的结构和运行机理，分析了液体流场的传动机理，并对液体声流场做出了理论解 析。在理论解析的基础上，本文采用有限元方法对电机定子振动进行了具体分析； 同时，基于k u z n e t s o v 非线性波动方程有限元方法，对电机内部声流场进行了数 值仿真，由声场中的液体微粒振动速度计算声流场驱动力，随后在流体域内用有 限元方法计算液体的流速。具体的研究工作主要包括以下几个方面： ( 1 ) 液体媒质超声波电机的结构和运行机理 液体媒质超声波电机的定子激励方式虽然与传统的行波型超声波电机极为 相似，但是由于定、转子之间液体媒质的加入，使得整个电机有着本质上与行波 型超声波电机截然不同的结构和运行机理，它利用压电陶瓷的逆压电效应激励电 机定子产生行波，此超声行波在液体媒质中形成声流场，以此传递能量驱动电机 9 第一章绪论 转子旋转。本文阐述了此种电机的特殊结构，从其结构特点出发，论述了驻波的 产生、行波的合成原理、液体中质点和声场的运动规律。 ( 2 ) 液体媒质超声波电机定子振动的有限元分析 液体媒质超声波电机的研究起步较晚，对于其运行机理的研究还有待深入， 而有限元分析方法有助于更直观地模拟电机定子振动，为进一步分析电机运行机 理、优化电机结构提供条件和依据。本文采用有限元方法建立了液体媒质超声波 电机定子的有限元模型，针对其结构和运行原理的特点，对定子振动进行仿真， 获得了定子的振型、谐振频率、无阻尼谐响应、有阻尼谐响应和接触面上质点的 运动轨迹等相关情况。 ( 3 ) 液体媒质超声波电机内部声流场有限元分析 h o f f e l n e r 等针对非线性声学现象提出了一种有限元方法，用于对粘热流体中 非线性声波的传播过程进行数值仿真，理论解析和实验均验证了该有限元方法的 有效性。本文在以上工作的基础之上，对液体媒质超声波电机内部声流场进行了 有限元分析，分别考虑了声场衰减、声学非线性以及定子驱动电压等因素对声流 场驱动力与液体转速的影响。通过非线性声场有限元分析结果得到声场中液体微 粒的振动速度，进而可以计算相应的雷诺应力以及声流场驱动力；将相应的作用 力加载到流体有限元分析模型中，可最终得到声流场中液体的平均流动效果。 ( 4 ) 对饱和流速问题进行了理论分析和有限元分析 可能引起饱和流速的原因主要包括：定子振动达到饱和；空化现象； 流体运动的非线性：声场非线性。本文阐述了液体中声场的非线性是导致饱和 流速产生的主要因素，并对液体声场中的非线性过程进行了理论解析；在电机内 部声流场的有限元分析结果的基础上，从计算上得出了声场的非线性是导致饱和 流速产生的主要原因，并通过实验验证。 1 0 第= 章液体媒质超声波电机的结构与运行原理 第二章液体媒质超声波电机的结构与运行机理 2 - 1 液体媒质超声波电机的结构 液体媒质非接触型超声波电机基本上由两大部分组成：一部分为高频交流电 源，另一部分是电机本体，它是一种典型的机电一体化产品。 2 1 1 电机本体结构 液体媒质超声波电机的结构如图2 1 所示，与行波型超声波电机相同，液体 媒质超声波电机也是由定、转子构成，不同的是液体媒质超声波电机的定、转子 之间并不直接接触【8 】o 其定子由圆环结构的弹性体( 如磷青钢、黄铜、不锈钢等) 构成。定子环的一端粘贴了一层经过极化处理的p z t 压电陶瓷，以产生超声频 域的振动( 频率大于2 0 k h z ) ，定子环的另一端使用1 0 m m 厚的橡胶基板密封。 在定子圆环中充满液体，带有翼片的电机转子置于液体之中。定子上的高频超声 振动传递给电机内部的液体，使得液体高速旋转，并且通过液体与转子间的连续 作用，使转子产生旋转运动，完成定、转子之问的能量传递。由于电机依靠液体 传递能量，能量在液体与定、转子之间交换能量时和在液体声场中损耗比较大， 电机的效率也就比较低。 良曰 转子 图2 - 1 电机结构示意图 液体媒质超声波电机中压电陶瓷的分布情况如图2 2 所示。在 = 2 的情况 下，压电陶瓷圆环被分成两个对称区域，分别由四份极化过的压电片组成，极化 的方向相同，每个区域组成个波长。每一份压电陶瓷之间相互绝缘，且其在空 间上相差1 4 个波长。若分别在这四份压电陶瓷上通以时间上相差9 0 0 的超声频 域交流电( 圪s i n m t ，圪c o s o ) t ，一圪s i n d o t ，一圪o 沁s ( a t ) ，则在弹性体内便产生 聃! 羹好歹笪 第二章液体媒质超声波电机的结构与运行原理 个弯曲行波，此弹性行波在电机的液体媒质中产生相应的行波。行波使液体微 粒偏离静止位置开始振动，同时进行粒子间的动量交换，形成了雷诺正应力与雷 诺剪切应力。雷诺剪切应力最终在液体中形成声场，当声场达到一定强度时，在 作为媒质的液体中将会出现一种非周期的声流。声流的出现使液体中的不同质点 不再只是以各自的相位作正弦振动，而使得声场中任何一点流速的时间平均值不 再为零，出现了声流速度i 硼。液体中所产生的声流速度推动电机的转子旋转，完 成能量传递。声流速度的方向与行波方向一致，因此可通过改变行波方向即改变 压电陶瓷的激励方式来改变电机转子的旋转方向。 嘶 图2 - 2 压电陶瓷激励方法( n = 2 ) 液体媒质超声波电机压电片的一侧和电机定子圆环粘在一起，因此电机定子 可以作为电机的公共地。压电元件通常用p z t 或p l z t 陶瓷制成，粘接在定子 前需经极化处理。在超声波电机中使用的压电陶瓷应该具有如下特点：( 1 ) 能量 转换效率高；( 2 ) 大振幅工作时，稳定可靠；( 3 ) 内部损耗低；( 4 ) 耐应力性强。 如上所述，液体媒质超声波电机并不是利用人耳听不到的超声波，而是利用 压电陶瓷在超声频域内的振动，将超声振动能转化为机械能并通过液体的传递来 实现电机的能量交换。 2 1 2 高频交流电源 液体媒质超声波电机是典型的机电一体化系统，其性能不仅取决于电机本体 结构的好坏，在很大程度上还取决于其驱动系统性能的优劣，因此有必要针对其 自身特点设计驱动系统，要求驱动电路必须能较方便的调节频率和电压以满足电 机控制要求。经对以往超声波电机的调压、调速和调频电路的性能分析比较 2 5 - 2 6 ， 本文选用了调频和调压调速相结合的方法来实现电机的驱动控制。 液体媒质超声波电机需要采用四相电压有效值相同、频率相同、相位依次相 差9 0 的高频正弦交流信号来驱动。由于该种电机呈容性，可将方波信号中的高 次谐波滤掉而使其成正弦波形，因此只要系统能够产生四相符合上述要求的方波 1 2 第二章液体媒质超声波电机的结构与运行原理 信号即可。从而使驱动电路设计得到简化。电机的驱动电路包括频率可调的信号 发生器、移相电路、功放和升压电路等部分1 2 7 1 。功能框图如图2 3 所示。 图2 - 3 驱动电路框图 ( 1 ) 频率可调的信号发生器 由于需要调节电机的驱动频率，因此可调节频率的信号发生器是驱动电路设 计的首要问题。针对本电机的特点，它需要工作在谐振频率6 4 k h z 附近，又因 为信号发生器的信号要在后续电路中进行四分频，因此它需要产生2 5 0 k h z 以上 的脉冲信号。本文采用了内部带有压控振荡器的芯片c d 4 0 4 6 作为信号发生器。 图2 4 所示为c d 4 0 4 6 的接线图。 m 2 m i m m n mj i 一 图2 - 4 芯片c d 4 0 4 6 的接线圈 在本电路中采用了调节c d 4 0 4 6 的电压来实现频率的调节，但是从中可以发 现如果不使用差动放大电路，在精确调节频率时，实际调压范围很小。本文中在 不增加电路复杂度的情况下，同时使用了调节电阻改变频率的方法，因为该芯片 的输出频率是可以随着电阻和电容值的改变而改变的。两者相配合可达到较为精 确的调节频率，从而使电机能达到最佳的工作状态。 ( 2 ) 移相分频电路 将压控振荡器产生的方波信号加到可实现左右移位的环行计数器4 0 1 9 4 的 触发端，则每输入一个脉冲信号，输出的四个管脚的状态就一起变动一次，而且 依次相差9 0 0 ，即自动具有鉴相功能。通过设定芯片的工作模式可实现控制电机 的正反转，图2 5 为芯片4 0 1 9 4 管脚图和其左移时序图。经过4 0 1 9 4 环行计数器 的信号驱动两路推挽功放电路可以达到相位差正负9 0 。的方波信号，完全满足了 驱动电机的需要。 第二章液体媒质超声波电机的结构与运行原理 nn nn - 广 nnn nnnn ， 广 nn 图2 - 5 芯片4 0 1 9 4 管脚图和左移时序图 ( 3 ) 功率放大主回路 功率放大主回路采用二路推挽功放与升压电路，其中一路构成如图2 6 所示。 q 1 和q 3 为由4 0 1 9 4 输出的两路相差1 8 0 。的方波信号。电路中采用了推挽结构的 加速电路来驱动逆变功率器件m o s f e t ，以提高其开关速度。电路的输出端采 用升压变压器和电机相匹配，变压器的变比可根据实际需要的电压来决定，并可 通过调节其供电电压来实现对驱动电路输出电压大小的调节。 图2 - 6 推挽功放电路 2 2 液体媒质超声波电机的运行机理 液体媒质超声波电机是多变量、强耦合系统，对其研究涉及压电晶体学、弹 性力学、机械振动学、流体力学、非线性声学等多个学科。液体媒质超声波电机 的研究在国内外才刚刚开始，迄今为止，国内外学者还没有完全掌握液体媒质超 声波电机的运行机理，本文将对其工作原理进行一定的介绍。 2 2 1 压电振动的产生 在将压电陶瓷用于液体媒质超声波电机前需对其做极化处理，根据压电陶瓷 的逆压电效应，极化后的压电陶瓷受到外施电压后就会产生变形。取其中一段梁 1 4 第二章液体媒质超声波电机的结构与运行原理 进行分析，若在压电陶瓷上施加如图2 - 7 ( a ) 所示方向的直流电压后，由于压电陶 瓷的逆压电效应，压电元件就产生了和极化方向对应的变形，因为压电陶瓷是粘 贴在弹性体上的，所以整个压电体及弹性体都将呈现波浪状变形。若所加直流电 压颠倒正负极性，则压电体和弹性体上每个质点受力方向都将与原来相反，压电 体和弹性体的变形情况如图2 7 ( b ) 所示。如果在压电陶瓷上施加正弦交流电压， 则压电体和弹性体就会随时间做正弦波状的振动，振动频率与所加交流电压的频 率相同，此时压电体和弹性体上每个质点只是相对于原来静止时的位置做上下振 动，其横向位置并不会发生变化，其振动表现为驻波方式，如图2 - 7 ( 0 所示。 萨p 窿鞠 ( a ) ， ( b )( c ) 图2 - 7 压电振动产生示意图 有限长的直杆只能产生驻波，欲使有限长直杆产生无限长杼才能产生的行 波，最好把金属杆做成环形。但是行波的波动是双向性的，为此，要产生固定方 向的行波，至少需要有两个振动源。 定子上的每个波长区域内的压电陶瓷共分为四份，这四份在空间互差四分之 一波长，并且相邻元件的极化方向相同。若压电陶瓷上通以时间上相差9 0 0 的四 相超声频率交流电，则两组压电元件会分别产生驻波振动，在弹性体内便产生一 个弯曲行波，引起定子内粒子的轴向位移。同时，在三维方向上考察定子，定子 弹性体的质点也会在径向和切向上产生位移，即弹性体产生三维行波。此时与定 子接触的粘性液体也随着定子的振动在液体中产生三维方向的行波，形成液体声 流场。声流场的出现使液体中的不同质点不再只是以各自的相位作正弦振动，使 声场中任何一点的流速的时间平均值不再为零，也即出现了声流速度。液体中所 产生的声流速度推动电机的转子旋转，完成能量传递。声流速度方向与定子中行 波的方向一致，即转子旋转方向与定子行波方向一致。 在分析液体媒质超声波电机运行机理时，为了便于分析，将定子环等效成简 直梁，在s i n t a t 和一s i n t a t 区域的压电元件上施加正弦交流电压 匕l = s i n ( 耐+ o l ) 2 = s i n ( t a t + 0 l + 力 交变电场使压电元件按不同的极化方向分别产生伸、缩形变，形成一个弹性驻波， 第二章液体媒质超声波电机的结构与运行原理 其驻波方程为 = 咖( 警) s i i l 刎+ c o s 耐) = 4s i n ( - 字) s i n ( c o t + 吼) ( 2 - 1 ) 式中，以= 0 i 丽；t g e , ：n u ；：2 万；工为定子环等效梁的长度；行 为定子环上一周的驻波数；m 为电源交变的角频率；a 。为驻波的振幅；，为定子 环振动频率；0 z 为交变电压的初相角；m 和为常数。 同理，在c o s t a 和一c o s o ) t 区域压电元件上施加余弦交流电压 1 = s i n ( c o t + 吼+ 胞) = 圪c o s ( c o t + 吼) 2 = s i n ( t o t + 吼+ 7 r 3 2 ) = c o s ( a n + 吼+ 万) 激励产生另一个驻波，此驻波与正弦交变电压、匕：所产生的驻波在空间上相 差四分之一波长，其驻波方程为 也：= 以咖 警 一e o s ( c o t + 吃) = 以c o s ( 三芋) c o s ( c o t + 皖) ( 2 - 2 ) e h 线性波的迭加原理，将两个驻波合成一个沿定子环圆周方向运动的行波， 其方程为 “：= 吒1 + 也2 = 以c o s ( 研2 7 r n x + 皖) ( 2 3 ) 这样，在两个交变电压作用下，形成了两个时间上相差9 0 0 相角、空间上相 差四分之一波长的弹性振动驻波，进而合成一个沿定子环圆周方向运动的行波， 并带动定子弹性体一起振动，靠定、转子之间的液体连续地对转子施加作用，使 之产生旋转运动，完成定、转子之间的能量传递。 定子圆环谐振频率可表示为【勰1 z = 吾括糟 q 椰 式中，e 为杨氏模量；p 为材料密度：n 为定子圆环内径；d o 为定子圆环外径。 由上式可以看出，定子圆环谐振频率随着n 的增加而增加，随着定子内径d 和定子外径d o 的增加而减小。当电机驱动频率与定子圆环的谐振频率一致时， 定子圆环内的液体流动速度