（机械设计及理论专业论文）环形行波型超声波电机定子振动特性研究.pdf

浙江大学硕上学位论文摘要 摘要 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 是一种全新概念的微电机，它利用 压电陶瓷的逆压电效应，使定子产生超声频率范围内的振动，然后通过定子、转 子之间的摩擦获得运动和转矩。u s m 具有体积小、结构紧凑、低速大扭矩、响 应快、重量轻、低噪声、无电磁干扰、可直接驱动等优点，已成为国内外研究的 热点，在航空航天、医疗器械、微机电系统等领域中具有广阔的应用前景。由于 发展历史较短，超声波电机理论模型和设计方法仍存在许多不完善之处，需要做 更多深入的研究。 本论文以环形行波型超声波电机为研究对象，对定子一转子接触界面的摩擦 接触机理和定子结构对超声波电机工作性能的影响进行了详细的分析。论文的主 要内容如下： 第一章对超声波电机的发展历史和研究现状进行了综述，并在分析目前存在 问题的基础上指出了本课题的研究意义和主要研究内容。 第二章对压电效应、压电陶瓷以及环形行波型超声波电机的结构特点和运行 机理进行了介绍，建立了定子的一维振动模型。 第三章针对行波型超声波电机的摩擦界面，研究了超声波电机定转子接触界 面质点的运动特性，建立了定转子接触界面的摩擦驱动模型，研究了负载大小与 转子转速的关系。 第四章采用a n s y s 对超声波电机定子进行了振动模态有限元分析，研究了定 子结构参数对定子动态特性的影响，进行了定子模态混叠的分离，为电机结构的 优化和设计提供理论基础。 第五章是全文的总结，介绍了本论文的研究成果，并指出了有待进一步深入 研究的问题。 关键词：超声波电机；压电效应；接触模型；有限元法；模态分析 i l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i cm o t o r ( u s m ) i san e wk i n do fc o n c e p t u a lm i c r o m o t o r ，w h i c h u t i l i z e st h ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i ct om a k et h es t a t o r v i b r a t ew i t h i nt h eu l t r a s o n i cf r e q u e n c yr a n g e ，a n da c q u i r e st h em o v e m e n ta n dt o r q u e t h r o u g ht h ef r i c t i o nb e t w e e nt h es t a t o ra n dr o t o r i tp o s s e sf e a t u r e ss u c ha ss m a l ls i z e ， c o m p a c ts t r u c t u r e ，h i g ht o r q u ea tl o ws p e e d ，q u i c kr e s p o n s e ，l i g h tw e i g h t ，l o wn o i s e ， n oe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea n dd i r e c td r i v i n ge t c i th a sb e c o m er e s e a r c hf o c u sa t h o m ea n da b r o a d i th a sb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t si nt h ea e r o s p a c e ，m e d i c a ld e v i c e s ， m e m sf i e l d s b e c a u s ei t sh i s t o r yi ss h o r t ，t h et h e o r e t i c a lm o d e la n dd e s i g nm e t h o di s n o t p e r f e c t ，i ts h o u l db es t u d i e dd e e p l y i nt h i sp a p e r , t a k i n gr i n g t y p et r a v e l i n gw a v eu l t r a s o n i cm o t o ra st h er e s e a r c h o b j e c t ，m e c h a n i s mo ft h ef r i c t i o nc o n t a c ti n t e r f a c ea n dt h ei m p a c to fs t a t o rs t r u c t u r et o t h ew o r kp e r f o r m a n c eo fu l t r a s o n i cm o t o ri sd e t a il e d a n a l y z e d t h em a i nc o n t e n t s o ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w s ： i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h eu s m sd e v e l o p i n gh i s t o r ya n dp r e s e n tr e s e a r c hs t a t ea r e s y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e d t h es i g n i f i c a n c ea n d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e r a r ep o i n t e do u tb a s e do nt h ea n a l y s i so fc u r r e n tp r o b l e m s i nt h es e c o n dc h a p t e r , p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ，p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s ，t h es t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i ca n do p e r a t i o nm e c h a n i c so fr i n g - t y p et r a v e l i n gw a v eu l t r a s o n i cm o t o r a r ei n t r o d u c e d ，o n e d i m e n s i o nv i b r a t i o nm o d e lo fs t a t o ri se s t a b l i s h e d i nt h et h i r dc h a p t e r , a i m e da tt h ef r i c t i o ni n t e r f a c eo fu l t r a s o n i cm o t o lt h em o t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l eo nt h ec o n t a c ti n t e r f a c ea r es t u d i e d ，t h ec o n t a c ti n t e r f a c e f r i c t i o n d r i v e nm o d e li se s t a b l i s h e d ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h el o a da n dr o t o r s p e e di ss t u d i e d i nt h ef o u r t hc h a p t e r , t h ev i b r a t i o nm o d a la n a l y s i so fs t a t o ri sc a r r i e do u tu s i n g a n s y s ，t h ei m p a c to ft h es t a t o rs t r u c t u r ep a r a m e t e r so nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h es t a t o ri ss t u d i e d ，t h es e p a r a t i o no fm o d a lm i x t u r ei sc a r r i e do u t ，p r o v i d e dt h e t h e o r e t i c a lb a s i sf o ro p t i m i z a t i o na n dd e s i g no fm o t o rs t r u c t u r e 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h ef i f t hc h a p t e ri st h es u m m a r yo ft h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ei n t r o d u c e d ， a n dt h ep r o b l e m sr e m a i nt ob ef u r t h e rd e e p l ys t u d i e da r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r ；p i e z o e l e c t r i ce f f e c t ；c o n t a c tm o d e l ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；m o d a la n a l y s i s i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂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已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：啼萄 签字日期： 矽向年 ；月多口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘堂 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和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：啼扔 导师签名： 签字日期：仞，d 年弓月罗口日签字日期：切力年岁月乡口日 浙江大学硕- l 学位论文 致谢 致谢 本研究及学位论文是在沈萌红副教授的亲切关怀和悉心指导下完成的。沈老 师渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风都给我留下了深刻的印象， 深深感染激励着我。从课题研究及论文写作过程中都浸透着沈老师的大量心血。 在两年半的学 - - j 中，沈老师给我提供了优良的科研环境，在学 - j 上和生活上也给 予了我无微不至的关怀和鼓励，在此谨向沈老师致以最诚挚的谢意和最崇高的敬 意。 感谢钱孝华老师给予我的各种帮助和指导。 感谢吴剑波硕士、周勇硕士、李俊硕士、桑鹏硕士在硕士学 - - j 期间对我生 活和学习上的指导和帮助。 感谢王科、倪小兵、罗荣、程好秋等，感谢你们对我生活上的帮助和学 - j 上 的鼓励。 要特别感谢我的父母、姐姐，在自己的求学生涯中一直得到你们的理解和支 持，是我不断前进的动力。 最后，衷心的感谢指导、帮助、批评过我的师长、同学、朋友! 浙江大学硕? l 学位论文绪论 1 绪论 【内容摘要】本章简单介绍了超声波电机的发展和应用概况，并对其研究现状与 存在的问题进行了分析，在此基础上给出了本课题的研究意义和主要研究内容。 1 1 引言 随着科学技术的发展，特别是航空航天、精密仪器和微机电系统等高新技术 的发展，要求电机具有体积小、重量轻、无噪声、无电磁干扰等特点。由于受到 结构形式及工作原理的制约，基于电磁感应的电机不具备上述特点，研发具备上 述特点的新型微特电机成为必需，而超声波电机就是目前各类新型微特电机中较 为成熟的一种【l j 。 超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 是从2 0 世纪8 0 年代开始发展起来的 一种全新原理的微电机，是超精密加工、振动学、摩擦学、材料学、电子技术、 自动控制和检测技术等学科综合交叉发展的产物。超声波电机是利用压电陶瓷的 逆压电效应，激发定子弹性体超声频率振动，通过摩擦耦合直接驱动转子或滑块 运动。 与传统电磁型电机相比，超声波电机具有许多独特的优点： 1 ) 低速大转矩、结构紧凑。超声波电机通过定转子接触界面的摩擦作用进 行传动，因此它是一种低速电机。在低速情况应用时，超声波电机不需要减速机 构就可以实现直接驱动，从而大幅度减少了系统的体积和重量，也避免了由减速 机构引起的振动和噪声、能量损耗以及传动误差。 2 ) 结构形式多样、转矩密度大。超声波电机结构设计灵活，可制造出多种 多样结构形式的电机；其输出转矩密度能够达到传统电磁感应电机的5 - 1 0 倍。 3 ) 响应快，控制性能好，断电后自锁。超声波电机结构紧凑，转子质量小， 因而动态响应迅速( m s 量级) ，尤其适合于反应速度快的定位系统。 4 ) 位移分辨率高。超声波电机定子弹性体振动时，其振幅通常为微米数量 级，能够实现微米级至纳米级的定位精度。 5 ) 不产生也不受外界电磁干扰。超声波电机的组成结构中没有磁极和绕 浙江大学硕士学位论文绪论 组，所以在使用过程中无电磁场产生，也不受外界电磁场的干扰 6 ) 运行无噪声。超声波电机在超声频率范围内( 2 0 k h z ) 7 _ 作，超过了人耳 的听觉范围。 7 ) 适用于极端环境下工作。在超声波电机结构设计合理，材料选用合适的 情况下，可应用于低温、真空等极端环境。 由于超声波电机具有的独特优点，从2 0 世纪8 0 年代以来它作为一种直接驱动 微电机而受到各国科研人员的关注，已成为国内外微电机研究的热点。目前，超 声波电机已被广泛地应用于照相机、摄像机、精密定位系统等。随着超声波电机 技术的发展，它将在汽车、微型机器人、医疗器械、办公自动化设备、精密仪器 仪表及新型武器装备等领域具有广阔的应用前景。 由于超声波电机发展历史很短，其理论模型和设计方法还不完善，尚存在磨 损严重、寿命较短、性能不稳定、效率较低等问题，在理论研究、制造加工工艺、 设计方法等方面还有许多有待研究改进的地方，需要做更多深入的研究。 1 2超声波电机的发展概况 驱动 动足2 压电旅手1 图1 1w i l l i a m s 和b r o w n 发明的压电马达图1 2b a r t h 发明的超声电机 超声波电机的发展大致可分为三个阶段：1 ) 概念阶段( 1 9 4 2 1 9 7 0 年) ，2 ) 具有实用前景的样机阶段( 2 0 世纪7 0 一8 0 年代中期) ，3 ) 产业化生产及应用阶段 ( 1 9 8 7 年下半年以后) 【2 】。 1 9 4 8 年，美国学者b r o w n 和w i l l i a m s 申请了第一项压电电机的专利【3 1 ，如图1 1 所示。1 9 6 1 年，日本b u l o v a 钟表公司通过音叉的往复移动驱动钟表 4 1 ，该钟表 的月误差只有1 分钟，在当时是十分领先的。 塑坚丕芏堡主呈些堕塞 堑丝 1 9 7 3 年，i b m 公司的b a 曲提出了一种新型的超声波电机1 5 1 ，如图1 2 所示 该电机具有两个楔形压电振子，由压电元件使驱动足产生振动，通过与转子接触 摩擦来驱动转子转动 1 9 8 2 年，日本的指田年生提出了一种振动片型压电电机旧，如图i3 所示。 该电机使用l a n g e v i n 振子，工作频率为2 7 8 k h z ，电输入和机械输出功率分别为 9 0 w ，5 0 w ，输出转速和扭矩分别为2 0 0 0 r r a i n o 2 5n i n ，效率为5 5 ，该电 机是首个在性能上能够满足实用要求的电机，但该电机在定转子接触界面上磨损 严重。指田年生于1 9 8 3 年提出并制造了行波型超声波电机 6 1 ，其工作原理如图 1 4 所示，该电机通过定子中的行波连续不断地推动转子旋转，改变了原来定点 新续推动转于的方式，大大地降低了定子与转子接触界面的磨损行波型超声波 电机的研制成功，为超声波电机走向实用开辟了道路1 9 8 5 年，指田年生根据 行波型超声波电机的原理，提出了环粱式，如图1 _ 5 所示，直粱式，如图1 6 所 示，两种行波型直线超声波电机结构 圉1 3 指田年生的驻波型超声电机 转子 摩催材纠 定千 e q 掏瓷 - 3 t - 进：茸向 定于i 椭l m 田1 4 描田年生发蠕的环形行渡型 超声波电机原理 田1 5 指田年生的环粱式直线电机结构田1 6 指田年生的直粱式直线电机结构 浙江大学硕七学位论文绪论 1 9 8 5 年日本的熊田明生博士研制了第一台纵扭复合型超声波电机【刀，它的转 速为1 2 0 r m i n ，最大力矩为1 3n m ，效率达8 0 。1 9 8 7 年，松下公司的伊势等 提出了一种如图1 7 所示的环形行波型超声波电机，该电机的定子采用梳齿结构 以放大定子表面的振幅，极大地提高了电机的效率，该方式现被大多数超声波电 机采用。1 9 8 7 年，指田年生创办了新生工业公司，将行波超声波电机进行出售， 日本的c a n o n 公司将其研制的超声波电机用在照相机的调焦系统中引，标志着超 声波电机步入实用阶段。 r a z o r f l e 图1 7 梳齿结构超声波电机 从2 0 世纪9 0 年代我国开始超声波电机的研究，虽起步较晚，但发展迅速， 清华大学、浙江大学、南京航空航天大学、吉林大学、哈尔滨工业大学、中科院 长春光机所和东南大学等高校和单位先后开展了超声波电机的研究。各研究单位 的研究侧重点有所不同，但基本上包括了目前已经出现的超声波电机类型，并取 得了一定的进展1 9 j 。 在超声波电机研究领域，清华大学最先获得了国家自然科学基金资助，周铁 英、董蜀湘等申请了国内首项超声波电机发明专利【1 0 j 。周铁英研制出目前国内 直径最小( l m m ) 的微型圆柱式超声波电机【1 1 1 ；浙江大学对纵扭复合型超声 波电机进行了深入研究，研制的纵扭复合型超声波电机具有力矩大( 堵转力矩接 近1 0 n m ) ，重复定位精度高( 0 0 2 5 0 ) 等特点【坦1 ；吉林大学则在压电精密驱动技 术方面取得了一定的研究成果，研制出了高分辨率的压电精密驱动器【”1 ；华中 科技大学的李华峰、辜承林提出了一种独特的r 型支撑结构的大转矩行波型超声 4 浙江人学硕士学位论文 绪论 波电机【1 4 1 ，如图1 8 所示；东南大学研制的一些超声波电机类型，其样机水平已 接近实用要求。 图1 8 大转矩单振子电机 1 3超声波电机的分类和存在的问题 压电陶瓷极化形式的多样性使弹性体( 定子) 可获得多种振动模式，利用不 同的振动模态就可以构造出不同结构形式的超声波电机。这一特点使得超声波电 机具有设计灵活、结构形式多样的特点。近2 0 多年，出现了各种原理、结构形式 的超声波电机，如圆环型、圆盘型、直线型、球型、纵扭复合型、弯扭复合型及 非接触型等，但目前超声波电机的分类一直比较模糊，尚无统一的分类方法。 按照不同的分类标准，超声波电机可以分为不同的类型。 按驱动方式进行分类，可将超声波电机分为驻波型、行波型和电致伸缩公转 子型；按运动的输出形式可将超声波电机分为旋转型、直线型；按定转子问的接 触方式进行分类，可分为摩擦驱动、非摩擦驱动和非接触式三类超声波电机；按 输出运动自由度的不同可分为单自由度和多自由度两类超声波电机；按定子表面 获取椭圆运动方式的不同进行分类，可分为单振动模型和多振动模型两类等等， 具体如表1 1 所示。 超声波电机最常见的的驱动形式为驻波型和行波型。驻波型超声波电机具有 能量转换效率高，输出力矩较大的优点，但电机定、转子间的接触力是不连续的； 行波型超声波电机的特点是靠行波驱动，定、转子平稳连续接触，可以实现正反 转，容易进行速度和位置的控制，输出特性稳定【1 5 1 ，其中环形行波型超声波电 机是目前国内外研究和应用最广泛的，技术也最为成熟。 浙江大学硕一卜学位论文 绪论 表1 1 超声波电机的分类 分类方法 驱动方式 运动输出形式 定转子间接触方式 输出运动自由度 椭圆运动获取方式 类型 驻波型、行波型、电致伸缩公转子型 旋转型、直线型 摩擦驱动、非摩擦驱动、非接触式 单自由度、多自由度 单振动模型、多振动模型 如前面所述，超声波电机具有许多优异的性能，但它也存在一些缺点。这些 缺点限制了它的应用，主要有以下几点： 1 ) 输出功率小、效率低。超声波电机涉及两个能量转换过程：( 1 ) 电能 转换为定子的振动能；( 2 ) 通过摩擦将定子的微幅振动转换为转子的宏观单向 运动。上述两过程的能量转换效率均较低。目前，一般环形行波型超声波电机的 最大输出功率不大于5 0 w ，效率大致为3 0 。 2 ) 定转子界面间存在磨损，电机寿命较短。超声波电机通过定转子接触界 面问的摩擦作用将定子的微幅超声振动转换为转子的宏观运动，定转子接触界面 存在磨损，不宜长时间连续运转，电机寿命与其制作材料也有极大的关系。 3 ) 对驱动电源的要求较高。为激发定子超声频域范围内共振，对激励电源 有较高的要求；由于电机通过摩擦进行能量传递，当工作温度发生变化时，需要 调整激励信号以保持电机输出特性的稳定，因此，超声波电机的驱动控制电路比 较复杂，须有专用的高频激励电源。 4 ) 价格较高。由于超声波电机的制作材料成本和加工工艺要求高，电机驱 动器的开发和成本高，再加上批量较少，使得超声波电机的性价比较低，与早已 成熟的微电磁电机相比没有价格优势，目前通常用于微电磁电机不适宜使用的特 殊场合。 1 4超声波电机的应用 超声波电机具有许多独特的优点，目前已在一些领域中获得成功应用。 ( 1 ) 照相机调焦 传统相机镜头在进行调焦时会产生噪音，而且对焦过程比较慢。与传统相机 6 堑坚点差塑土兰垡堡塞堕堡 镜头相比，采用起声波电机的镜头具有定位精度高对焦快、无噪声、重量轻 结构简单等特点 1 9 8 7 年，佳能公司将超声波电机应用在e o s 系列相机镜头中1 9 9 0 年，佳 能公司研制了如图1 9 所示的超声渡电机，输出转速为3 7 r r a i n ，输出扭矩为0 0 3 n m 其在相机镜头中的安装位置如图l1 0 所示 田1 1 1 小型杆式超声波电机 田1 1 2 应用超声波电机的镜头 目前，在佳能公司的多种规格型号的相机镜头中都有应用到超声波电机，如 图11 2 所示。除了佳能公司，尼康公司的一些相机镜头中的自动调焦机构也采 用了超声波电机。 ( 2 ) 手机上的应用 塑坚丕兰塑土兰堡堡兰 堕堡 当传统电磁感应电机的体积减小到一定程度后，输出扭矩和效率将会迅速下 降，丧失基本的驱动能力，对于本身体积很小的手机，要实现手机的光学变焦功 能，采用传统电磁电机时无法实现。为此，三星公司将超声波电机用于手机的拍 照系统中，如图11 3 所示，将超声波电机应用于手机拍照系统后，手机重量增 加很少，但可达到4 倍光学变焦。 1 1 嘻 田1 1 3 超声敢电机在三星手机上的应用 ( 3 ) 民用装置中的应用 由于超声波电机具有噪声低的特点，可将其应用于医院、宾馆、图书馆等要 求低噪声的场合。日本已将其作为驱动元件应用干窗子上的窗帘机中 ( 4 ) 手表中的应用 1 9 9 6 年日本精工公司成功的将直径为$ r a m 的超声波电机用于手表的振动报 警”】。该超声波电机的形状如图11 4 所示。 囤l _ 1 4 用于振动报时的超声波电机 田1 1 5 使用超声被电机的日历机构 传统的带日历手表中，为产生较大的扭矩，通常采用减速机构，从而使得结 构复杂为解决这一问题，精工公司研制了一种超声波电机作为日历驱动机构， 浙江大学硕士学位论文绪论 如图1 1 5 所示，其启动扭矩比传统手表中电磁电机的启动扭矩大得多。 1 5超声波电机的研究现状 2 0 世纪9 0 年代初，超声波电机步入了实用阶段。1 3 本掌握着世界上大多数超 声波电机制造及控制等方面的发明专利。1 3 本超声波电机研究及应用主要是在民 用消费品领域，它所生产的超声波电机已成功地应用在照相机自动调焦系统、手 表、机器人、汽车、电动窗帘等产品上。美国、德国、法国和英国也正在或已经 投入大量人力物力研究超声波电机。欧洲各国的发展重点在高精仪器驱动方面， 美国超声波电机研究侧重于航天领域和军事应用，最近几年，美国已将超声波电 机应用到运载火箭、火星探测器等航空航天工程中。 超声波电机是基于超声频率振动和摩擦驱动原理工作的，动态特性非常复 杂，具有高度的非线性，电机参数随温度和驱动条件而变。尽管超声波电机已经 进入实用阶段，但超声波电机设计中涉及到许多非常复杂的问题，如：定子的 振动和定一转子的摩擦接触性能；由于超声波电机各部分之间有较强的耦合作 用，电机性能又取决于定子振动形式、频率、预压力等多种因素，如何估计在不 同工况下超声波电机的性能特性等等，均是急需解决的问题。 要预估超声波电机的性能，必须对定一转子摩擦接触进行建模分析。目前， 对超声波电机定转子接触摩擦传动机理的分析，还处在定性和表面化的层面上， 许多结论大都是通过实验和测试结果获得的。t m a e n o - 等1 1 8 , 1 9 j 1 9 9 2 年最早利用 有限元方法对电机的机械特性进行了计算；刘锦波、陈永校等人f 2 0 】考虑了定转 子之间的粘滑特性，得到了环形行波型超声波电机特性与结构参数之间关系的解 析表达式；李华峰、赵淳生、辜承林等人【2 l 】采用面接触模型，将摩擦材料层等效 为线性分布的弹簧，通过考虑摩擦材料剪切变形，建立了更符合实际的定转子摩 擦接触模型。曲建俊，孙风艳，田秀【2 2 1 针对摩擦材料黏贴在定子表面的摩擦接 触问题，提出了一种新的行波型超声波电机粘弹性接触模型。 由于定转子摩擦接触界面处于微幅、高频振动状态下，摩擦驱动十分复杂， 其驱动机理还无定论，而且，影响超声波电机输出特性的因素也很多，如摩擦界 面的材质、尺寸、预压力等等，目前还不能建立精确的摩擦驱动模型。 超声波电机定子的振动性能直接影响着超声波电机功能的实现和性能的优 9 浙江大学硕士学位论文 绪论 劣。由于超声波电机的定子由多种材料组成，且在定子上一般都加工有齿、槽， 结构复杂。因此对电机定子进行理论分析和解析建模比较困难。在进行理论分析 时，通常都要对定子模型进行一系列的简化、等效，如将定子环等效为一根无齿 槽等直梁等，但这些简化分析很难模拟电机的实际情况，难以获得较高的精度。 为对电机定子进行精确设计，通常采用有限元方法进行定子振动特性分析。 在超声波电机振动特性研究方面，n i c o l al a m b e r t i 等人用a n s y s 得出了薄圆 盘定子的一阶反对称振动模态1 2 3 1 ；夏长亮、郑尧、史婷娜等【2 4 1 根据环形行波型 超声波电机的实际结构，建立了定子的三维有限元模型，同时考虑定子实际约束 条件影响以及交变激励的作用，对定子环振动进行了有限元分析；莫岳平、胡敏 强等人【2 5 1 以直径为1 0 0m l n 的环形超声波电机为例，利用a n s y s 分对电机定子的模 态进行了有限元分析，同时阐述了最优振动模态的选择。上述文献在对电机定子 进行模态分析时，没有考虑定子工作模态的相邻模态对工作模态的影响。事实上， 当工作模态频率与其相邻模态频率相近时，将引起模态混叠，这样在电机运行时 会激起工作模态附近的非工作模态，从而干扰工作模态，影响电机的稳定运行。 1 6论文的研究意义和主要研究内容 超声波电机是一种全新原理的新型微电机，发展历史很短，理论模型和设计 方法尚不完善，需要做更多深入的研究。本论文在前人研究的基础上，深入研究 了定转子的摩擦接触机理，利用有限元方法对超声波电机定子进行了结构仿真分 析，为电机结构的优化和设计提供理论指导。 首先对压电效应、压电陶瓷以及环形行波型超声波电机的结构特点和运行机 理进行了介绍，建立了定子的一维振动模型。 针对行波型超声波电机的定转子摩擦接触界面，研究了摩擦接触界面质点的 运动特性，建立了定转子接触界面的摩擦驱动模型，同时，研究了负载与转子转 速的关系。 利用a n s y s 对超声波电机定子进行了振动模态分析，给出了振动模态的有限 元分析过程，研究了定子结构参数对定子动态特性的影响，进行了定子模态混叠 的分离，为电机结构的优化和设计提供理论基础。 l o 浙江大学硕士学位论文绪论 1 7本章小结 超声波电机是一种全新原理的电机，本章在介绍超声波电机的发展历史、特 点、分类和应用的基础上，结合近年来国内外超声波电机研究发展的情况，深入 全面的阐述了超声波电机的研究现状与不足，提出了项目的研究意义和主要研究 内容。 浙江人学硕上学位论文超声波电机的结构及工作原理 2 超声波电机的结构及工作原理 【内容提要】本章首先对压电效应、压电陶瓷以及环形行波型超声波电机的结构 特点和运行机理进行了介绍，并建立了定子的一维振动模型。 2 1引言 行波型超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应，在定子弹性体中激励出两相 驻波，经过叠加而形成行波，并通过定子表面质点做椭圆运动时定转子接触界面 之间的摩擦力驱动转子或滑块运动。 在超声波电机中，压电陶瓷是电机工作的基础，是将电能转化为机械能的核 心，压电陶瓷的性能极大地影响着超声波电机性能的好坏，压电效应和压电方程 是研究超声波电机的基础。另一方面，要分析超声波电机定子的振动特性，就必 须建立定子振动的数学模型。采用解析法建立振动模型进行分析具有概念清晰、 方法简单有效的特点，在定性分析时具有显著的作用。 本章首先介绍了压电效应、压电陶瓷，以及环形行波型超声波电机的结构特 点、定子弹性体中产生行波的条件和定子表面质点椭圆运动轨迹的形成过程，讨 论了影响转子旋转速度的相关参数，建立了定子的一维振动模型。 2 2压电效应与压电陶瓷 2 2 1 压电效应与逆压电效应 当压电材料在外力作用下，除了产生相应的应变以外，材料内部的正负电荷 中心将因相对位移而产生电极化，从而导致压电材料的两个表面上出现了符号相 反的束缚电荷；当作用力反向时，表面电荷的性质亦发生相应的变化，晶体将机 械能转换成为电能，这种现象称为压电效应。压电效应由法国科学家c u r i e 兄弟 1 8 8 0 年在石英晶体上最先发现的【2 们，它反映了压电晶体的弹性和介电性的互相 藕合作用。压电效应的作用示意见图2 1 。因压力变化而产生电场的效应称为正 压电效应，其表达式为： 浙江大学硕十学位论文超声波电机的结构及t 作原理 q = 喀z ( 2 1 ) 式中，d 为介质内电位移，功应力，d 为压电系数，下标表示方向。 如果在压电材料两表面施加电场，由于电场作用，压电材料内部正负电荷中 心产生相对位移，导致材料产生与电场大小成正比的应变( 应变的方向与电场方 向有关) ，晶体将电能转换成了机械能，这种现象称为逆压电效应，其作用示意 见图2 2 。 逆压电效应的表达式为： 墨= 吃置 ( 2 - 2 ) 式中，s 为应变，e 为电场强度，f 柯分别为电场和应变方向。 正压电效应和逆压电效应统称为压电效应，具有压电效应的物质称为压电材 料。晶体中凡具有正压电效应的方向上也一定具有逆压电效应。 电介质中另一个与变形相关的效应为电致伸缩效应，它所指的是电介质在外 电场的作用下由于感应极化而引起应变。该应变大小与电场的平方成正比，与电 场方向无关。逆压电效应与电致伸缩效应不同【2 7 1 ，电致伸缩效应在所有的电介 质晶体中都存在，而逆压电效应仅存在于无对称中心晶体。当压电晶体受到外电 场作用时，应变实际上是上述两种效应叠加的结果，其应变可表示为： g = d e + m e 2( 2 - 3 ) 式中，s 一应变；棚卜逆压电效应；m e 2 一电致伸缩效应；m 一电致伸缩系数 ( m 4 c 五) 。 与压电效应相比，电致伸缩效应很微弱，一般情况下可以忽略不计。 号 图2 1 正压电效应示意图图2 2 逆压电效应示意图 浙江大学硕士学位论文超声波电机的结构及工作原理 2 2 2 压电陶瓷 超声电机通过压电陶瓷的逆压电效应，激发定子超声频域范围内的振动而工 作。压电陶瓷是由许多铁电体微晶组成的，微晶由电畴组成，因而压电陶瓷是由 许多电畴形成的多畴晶体。日前应用广泛的压电陶瓷，例如钛酸钡( b a t i 0 3 ) 、 钛酸铅( p b t i 0 3 ) 等，都属于钙钛矿型结构，都可写成相同形式的化学分子式 ( a b 0 1 ) 2 8 1 。 当施加机械应力时，它的每一个电畴的自发极化会发生变化，但由于电畴的 无规则排列，总体上不显电性，没有压电效应。为了获得陶瓷材料的压电效应， 需在一定温度下进行极化处理【2 9 】，即在陶瓷上施加足够高的直流电场，迫使陶 瓷内部的电畴转向，而当极化电场除去后，陶瓷材料内仍留有一定的剩余极化强 度，具有了宏观极化，也就产生了压电性。压电陶瓷在极化处理前后电畴的变化 如图2 3 所示。在压电陶瓷极化处理之前，各晶粒内电畴的自发极化方向不同， 压电陶瓷的极化强度为零，不具有压电性，如图2 3 ( a ) 所示，通过极化处理后， 极化电场强度等于零时，存在剩余极化强度p ，如图2 3 ( c ) 所示，压电陶瓷具 有了压电性。 压电陶瓷的压电常数比单晶体高得多，一般比石英高数百倍，现在使用的压 电元件大多数都采用压电陶瓷3 0 1 。 ( a ) 、 j i 图2 3 压电陶瓷极化前后电畴变化 1 4 十r 浙江大学硕上学位论文超声波电机的结构及工作原理 在超声波电机中使用的压电陶瓷，通常要求它具有如下特点：较大的机械品 质因数q 、强场下较小的介质损耗t a n 6 和良好的温度和时间稳定性，同时具有 一定的机电耦合系数和压电系数。目前超声波电机中使用的压电陶瓷材料多为 p z t 压电陶瓷。 p z t 压电陶瓷是由贾菲等人发现的p b z r 0 3 - p b t i 0 3 - - 元系固溶体，压电性能 b a t i 0 3瓷更加优越。超声波电机上实际使用的压电材料是在p z t 上加入少量 的添加物或置换元素进行改性后获得的。该材料居里点较高，在使用温度范围内 无相变点，温度特性非常稳定。 压电陶瓷性能的好坏与其制造工艺密切相关。即使采用同一种配方的材料， 如果工艺条件不同性能上会有极大差别，所以要获得最佳性能，在生产过程中必 须严格控制工艺过程。 压电陶瓷的生产工艺过程通常包含下面几个步骤【l 】： 配料j 混合专预烧一粉碎j 成型专排塑寸烧结j 备电极专极化专测 试。 2 2 3 压电方程 由压电晶体的压电效应可知，施加电场后可以使压电晶体产生应变，施加应 力可以使压电晶体表面产生电荷。因此，压电效应将力学量( 应力丁和应变固与 电学量( 电场e 和电位移d ) 相互关联。压电方程考虑了压电陶瓷的介电关系和弹 性关系，体现了晶体力学量与电学量的相互作用。可用压电方程来表示压电晶体 的本构关系和物理性能。由于压电陶瓷存在机械和电学两种边界条件，选择不同 的自变量和不同的边界条件，可以得到四种不同类型的压电方程【3 1 1 。 ( 1 ) 第一类压电方程 第一类压电方程的边界条件为机械自由( t = 0 ，s 0 ) ，电学短路( e = 0 ， d 0 ) ，以电场强度e 和应力丁为自变量，应变s 与电位移矢量d 为因变量： jd = 孥竹r e ( 2 - 4 ) ， 【s 2s 6 t + d e 式中，d 为压电常数，s r 和s e 分别为恒应力下的介电常数和恒场强下的弹 浙江人学硕二l 学位论文 超声波电机的结构及工作原理 性柔顺系数。 ( 2 ) 第二类压电方程 第二类压电方程边界条件为机械夹持( s = 0 ，t 0 ) ，电学短路( e = 0 ， d 0 ) ，以应变s 和电场强度e 为自变量，应力t 和电位移d 为因变量： 嚣主 5 ， 式中，为恒定应变下的介电常数；e 为压电应力系数；，为恒定场强下 弹性刚度系数。 ( 3 ) 第三类压电方程 第三类压电方程边界条件为机械自由( t = 0 ，s 0 ) ，电学开路( d = 0 ， e 0 ) ，以应力t 和电位移d 为自变量，应变s 和电场强度e 为因变量： 牌：嚣 6 ， 式中，p r 为恒定应力下的介质隔离率；g 为压电电压常数。 ( 4 ) 第四类压电方程 第四类压电方程边界条件为机械夹持( s = 0 ，t 0 ) ，电学开路( d = 0 ， e 0 ) ，以应变s 和电位移d 为自变量，应力t 和电场强度e 为因变量： 协宝二嚣 协7 ， 式中，p s 为恒定机械应变下的介质隔离率；h 为压电应力常数。 以上四类压电方程不是完全独立的，知道其中一组压电系数，可以导出其余 三组压电系数。 2 3环形行波型超声波电机的结构特点 环形行波型超声波电机( r i n g t y p et r a v e l l i n g w a v eu l t r a s o n i cm o t o r s ，简写为 r t w u s m ) 具有结构简单、性能稳定可靠、响应快、运行寿命长等特点，是目前 应用和研究最多的超声波电机，研究成果和技术也最为成熟。 环形行波型超声波电机主要由定子、转子、壳体、压电陶瓷、摩擦层和底座 1 6 塑里点兰塑主堂垡堡塞笪苎堇皇! 盟苎蝗墨三生垦里 等部分组成，如图24 所示，没有磁极和绕组，整个电机结构紧凑扁平，轴向尺 寸比较小。 图2 5 超声最电机定于转子结构 浙江大学硕上学位论文超声波电机的结构及工作原理 环形行波型超声波电机的转子也为圆环形结构，如图2 5 所示。为了增加定一 转子接触界面之间的摩擦系数，以增大摩擦力和提高输出转矩，同时为降低噪音， 延长电机的使用寿命，在转子底部通常黏结有一层特殊的摩擦材料，并依靠一定 的轴向预压力与定子紧压在一起。 2 4 环形行波型超声波电机的运行机理 压电陶瓷是超声波电机的关键组成元件。图2 6 为压电陶瓷的极化图( 阴影 区域表示未极化区域) ，a 、b 为空间相差a 4 的两相极化区。a 、b 两相极化区 中相邻两个压电分区按相反方向进行极化( 方向分别以“+ ”和“一”表示) ， 当电压激励时一段伸长，另一段收缩，这样便构成一个波长的弹性波。把中间正 向极化的兄4 区域称为孤极，它可实时反映定子的振动情况，用来提供驱动和控 制电路的反馈信号。 融彳 t o 一斯 七= t 4 七= t 2 图2 7 行波超声波电机的驱动原理 竖里丕量塑主兰堡堕塞 塑苎焦皇墨些堕塑墨三堡垦里 在压电陶瓷上对a 、b 两个区域分别施加相位差为z ，2 的同频率、等幅交变 电压时，由于压电陶瓷的逆压电效应，可在定子上澈发出两个幅值相等、时问和 空问均相差口，2 的驻波振琦，这两个驻波在定子环中叠加形成一弯曲振动行波。 如果在转子上施加一定的预压力，通过定转子之间的摩擦作用，定子表面的微幅 振动转换为转子的旋转运动 图2 7 是行波型超声波电机定转子沿周向的展开固，当定于中行波向右前 进时，p 点的运动轨迹为一逆时针方向的椭圆，在定转子之间的摩擦力作用下， 转子获得与行波前进方向相反的运动。 2 4 1 定子中产生行驶的条件 环形行波型超声波电机的定子呈圆环状结构存在如图28 所示的面外弯曲振 动模态，它由节圆和节径组成，通常用峨。来表示，其中脚，n 分别表示模态中的 节圆数和节径数为了在定子中激励出纯行波，必须激励出同频率、同形式、正 交的两个纯面外弯曲模态。 一一 田2 8 聊环尊板面外弯曲振葫横态 压电陶瓷的a 区，b 区空问问隔为t 4 ，当两相交变电压同时施加在a 区和b 区上时，a 、b 两相模态响应分别为： h ( 置t ) = 点c o s h c o s ( 耐+ 吼) ( 2 - 8 ) ( t ) 2 f , 。o s k ( x - l 4 ) c 。s ( “+ + ) ( 2 9 = 品s i n k x c o s ( 6 0 t + 馥十p ) 式中，、分别为a 、b 两相激振时定子表面垂直方向的振动位移， 浙江大学硕士学位论文超声波电机的结构及工作原理 磊分别为定子在该向振动的振幅；五：兰为定子中弹性波的波长，为定子环圆 玎 周长，刀为定子周向的振动模态阶数， 相角，痧为两相响应之间的相位差。 k = 华为弹性波波数，皖是交变电压的初 几 在定子环中两相驻波叠加，定子的位移响应为 吣，f 尝c o s f k 卜x c o 叫s ( c o 毛t 盖心s i nc o s ( c o tm 矽) ( 2 = 邑+ 皖) + 厶+ 皖+ 矽) 当压电陶瓷环对称极化，激励电压幅值相同时，有色= 靠= 善。 ( 1 ) 当= 一万2 时，可得一正向行波 m ( x ，) = 善c o s ( 缸一皖- c o t ) ( 2 ) 当矽= 7 t 2 时，得到一反向行波 ( 2 11 ) 心( x ，t ) = 孝c o s ( 奴+ 皖+ c o t ) ( 2 一1 2 ) 可见，如将时间上相位相差7 2 的两相交变电压同时