（电机与电器专业论文）纵扭复合型超声波电机的特性研究.pdf

捕要 电视瞧舞进行了深入豹赣究。缒定位精度方蘑，瓣d e l t a l 、d t k t a 2 稳步妖合理选 择进符了理论探讨稀寅验研究，缳诞了这种电机的重复定位耩发优于0 0 2 5 度；在动态 特性方阐，建立了动态特性的分析勰论和测试方法，得出了纵扭复合型超声波电机具有 快速越渤籽快速关断盼动态响应特性其中，起动时间在6 毫秒宸右，关断时阅在2 毫秒 泼蠢；菇外，获理论霸实验迁赘了魄辍懿摹爹4 寄瞧( “步踅焦”) 每电撬撬缀特瞧纛凄态 特性的荚系，揭示了这种电机具有离分辨率和能实现高精度定位的根本原因。 所研制样机( 激径妒s 0 m m ) 的最大壤转力矩可达到1 3 n m ，重复定位精度小于 0 0 2 5 成，在国内这烂擐标处于领先水平。o 声一 尸4 厂“ 关键词：超声波电机逦i 霞、纵扭复合测f 堪查i i 矜测控系统i 精密定位； 动态特性、 7 7 摘要 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 wt y p eo fm o t o r 氆a th a s 溉d e v e l o p e di n r e c e n tt w e n t yy e a r s i t sd i f f e r e n tf r o mt r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cm o t o r si n p r i n c i p l e u l t r a s o n i cv i b r a t i o ni se x c i t e db yt h ec o n v 觏, s e p i e z o e l e c t r i c e f f e c to f p i e z o e l e c t r i c m a t e r i a l sa n dm a g n i f i e db yt h ee l a s t i cb o d y w i t ht h ef r i c t i o nc o u p l i n g ，t h er o t a t i o no ft h e r o t o ro rm o v i n go ft h es l i d e ri sg e n e r a t e d u s mi sc h a r a c t e r i z e db yt h el o ws p e e d ，h i g h t o r q u e ，s i m p l es t r u c t u r ea n dd i r e c t l yl o a d d r i v i n g i ti s n td i s t u r b e db yt h ee l e c t r o m a g n e t i c f i e l d u s mc a l lc a r r yo u t s e l f - h o l d i n gw i t h o u te l e c t r i cp o w e r a i lo f t h e s ec h a r a c t e r sm a k e u s m p r a c t i c a la p p l i c a t i o n si ns o m es p e c i a la r e a s 。u s m h a sv a r i o u s f o r m s o n l yt r a v e l i n g w a v et y p eu s ma c h i e v e si n d u s t r i a l i z a t i o na n dh a sf u l l yd e s i g n i n gt h e o r y o t h e r sa r ei n a p p l i c a t i o ni ns m a l l - s c a l eo ri nt h ep h a s eo fe x p e r i m e n ta n de x p l o r i n g t h e i m p o r t 勰td i r e c t i o no fu s m sd e v e l o p m e n ti sr e a l i z a t i o no f l a r g et o r q u e 。a t p r e s e n tt h er e s e a r c ho fu s m w i t ht o r q u em o r et h a n1 n mh a sb e e nd o n e m a i n l yi nj a p a n t h i sk i n do fu s mh a sp r o s p e c t i v ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d b u to u rc o u n t r yh a s h tb e e n s u c c e e d e di nt i f f sa r e a + i nt h i st h e s i s w ea n a l y z et h ed e s i g n i n gm e t h o da n dm e a s u r ea n d c o n t r o l 蘸c h a r a c 科o fl o n g i t u d i n a l t o r s i o n a l c o m p o s i t e u s mw i t h l a r g et o r q u e s y s t e m a t i c a l l y t h er e s e a r c hw o r ka n da c h i e v e m e n t so ft h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ： i i n t r o d u c i n g t h e d e v e l o p m e n t , t h eh i s t o r y o fu s mi nt h e w o r l da n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fu s ma n dt h eg e n i a la p p l i c a t i o no fu s m i no t h e rc o u n t r i e s ；s m f i n gt h e m e a n i n g a n dc o n t e n to f t h i st h e s i s 2 - a n a l y z i n g t h em e c h a n i c so f e x c i t i n ge l l i p f i c mv i b r a t i o nl o c u so fm a t e r i a lp a t t i c l e s 。 t h e e x c i t e d m o d e s o f u s m , t h e c o n t a c t c o n d i t i o n 蜡f r i c t i o ns e c t i o n 。 3 i n t r o d u c i n gt h et h e o r e t i cb a c k g r o u n df o r 也ef e ao ft h em o d ea n dt h er e s o n a i l c e f r e q u e n c y ，t h e f e as o f t w a r ea n s y s a n dt h e p r o c e d u r eo fm o d a l a n a l y s i s ；s e t t i n gu p f e a m o d e lf o rl o n g i t u d i n a la n dt o r s i o n a lm o d ea n a l y s i s ；a n a l y z i n gt h e e f f e c to fd i f f e r e m s t n t c t u r e sa n ds i z e so nt h el o n g i t u d i n a la n dt o r s i o n a l r e s o n a n c ef r e q u e n c yo fh o l l o w c y l i n d e r ；p r e s e n t i n gm e a s u r e sf o ri m p r o v e m e n t ；s u m m a r i z i n g p o s s i b l em e t h o d sf o rm o d a l 一 试 插安 m o d a lm a t c h i n go f t h el o n g i t u d i n a la n dt o r s i o n a lv i b r a t i o n ，w h i c hm a yh e l pt od e s i g nt h e 蚓飘j c j 田f eo fu s m 。 4 。d e s i g n i n gt h eu n i v e r s a lm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mo fu s m ；i n t r o d u c i n gt h e g e n e r a ld e s i g np r i n c i p l e a n ds t r u c t u r eo f s y s t e m ，t h e n e a c h s p e c i f i cp a r t ；f i n a l l y e x p e r i m e n t i n gw i t ht h i ss y s t e mb yt e s t i n gc h a r a c t e r i s t i co fu s m a n dc o n c l u d i n gt h a tt h e s y s t e m sa v a i l a b i l i t y 。 5 a n 越y 洳gc h a r a c t e r i s t i c so fu s m ，w h i c hi n c l u d ep r e c i s ep o s i t i o n i n g ，d y n a m i c c h a r a c t e ra n ds t e p p i n gc h a r a c t e r ；i nt h er e s e a r c ho fp r e c i s ep o s i t i o n i n g ，d i s c u s s i n gt h e c h o i c eo fd 鄹j 慧a i ，d e l t a 2a n dl e n g t ho fs t e pb a s e do nt h et h e o r ya n de x p e r i m e n t ，a n d e n s u r i n gt h ep o s i t i o n i n go fu s m o f0 。0 2 5d e g r e e ；i nt h er e s e a r c ho fd y n a m i cc h a r a c t e r , a n a l y z i n g t h e d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，w h i c hp r o v e s t h a tt h e l o n g i t u d i n a l t o r s i o n a l c o m p o s i t eu s m h a v ec h a r a c t e ro f r a p i d l yt r a n s i e n tr e s p o n s ea n d t h et u r n - o f ft i m ei st e s s t h a ns t a r t i n gt i m e ；i nt h er e s e a r c ho fs t e p p i n gc h a r a c t e r , a n a l y z i n gt h er e l a t i o nb e t w e e n d y n a m i cp e r f o r m a n c e a n d s t e p p i n gc h a r a c t e r t h e t o r q u eo fu s m h a sr o a c h e ds n m ，a n dt h ep o s i t i o n i n go fu s m i sw i t h i n0 0 2 5 d e g r e e t h e s e a c h i e v e m e n t s p r o v e i t sa d v a n c e m e n ti n0 1 2 4 c o u n t r y 。 k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c m o t o r ( u s m ) ，l o n g i t u d i n a l - t o r s i o n a lc o m p o s i t et y p e ， m o d a l m a t c h i n g ，m e a s u r e a n dc o n t r o l s y s t e m ，p r e c i s e p o s i t i o n i n g ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c ，s t e p p i n gc h a r a c t e r i v 夔：兰璧黧一 第一攀靖 论 接受；零章饕暌摊费鲻丁艇声波鼬辍越鞭耀、发袋骥燮翻特爨，萋鼠辩溅鹈努糖? 炎瘛矩魏 缀擐燕奄蘩耪声蒗电撼辩辩兖避袋耩籽擞秘薅瑟，获瓣零 辩率蘸士谂变戆硒究意鬟糍辩骞。 1 1 爨攀没趣撬藩套 越声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，簿称u s m ) 怒i 臻十几攀米迅速发怒趣辩的 一静灏臻舔辍，它蕊麓藤舔魄簿瓷鹣递垂毫羧凌激羧遴声豢游，餐熬弹穗舔 骚蒎 羧太+ ：i 蔑避鬻攮螽台产生疑羧遮舔蠛巍线运漤，将袋瞧振子凝怒声蛾匏菝凌辘转 筷蔽裁羧戆麓毫筏。蔟藤瑗辩金蠢辫子簧笺黪魄酸蒸凌熬彀撬，鞭大袁寨，骶转 速、抗电磁干扰和晌臌快等优鼹性黼成为一种新颖的徽特电机，在航密航晨、微 鍪嚣藏、筏器天、鑫潞控爨餐镁壤糍蓑广泛魏波懑黎暴，萼 裁淫袁羚壤蔽互鼹器 熬蓑滚。 。l 震怒声凌邀撼发震潜整 分辍趱辫渡毫麟越整令繁爨瓣囊，莓努矬l 瓜验鼗l 嚣茅除辍。1 0 6 1 每，b u l o v a w a t c hl i d 蓠次鹈稀释整突麓撵缝褡递符漱搬， 烈阚搜激攮的弹控绺的振动袋带渤锄袭齿轮。这种袭走对准辘，每舅只蠢分钟 抟诿麟，露蔽了当附记录，霉 越了滚霹。丽辩墩擒稽了趣声泼程撬瓣究越潜纂。 爨壤夔箨氍玲鼗。1 9 7 2 - 1 9 7 3 攀，壶s i e m e n s 鼗m a t s u s h k a 公懿臻键岛葵青 实辫裁爨截怒声菠壤撬，鑫子燕魄耩瓣王露京菇卡氧簸乏懿瓣游菝率下+ 撇幅太 小，材料不过关，不能得到大力戆，恁法推广。1 9 7 3 年，璐m 公司的h v b a r t h 羡爨释装淡璧逛黟渡毫惑，其充艇咬夫，转遂获鸯，毽零余蔽豫。与熬溪薅， 翦蘩联豹vvl a v r i n e n k o 簿久巍戮制了具裔瓣弹瑟溪豹a 稀超声波魄税。1 9 7 8 每，瓣苏联懿确赋i 料缓囊越 每瀵了静熬移骥潦藏穴受鬣黪越声浚瓷筏，蕊特 点燕采朋了撩能器愿爆，降低了共搬颛率，扩火丁撼振振幅，魍因种辩原因都没 毒窭鼹。 燕耀佼释视阶段e8 0 替代以精，趋声滤电机研斑中心由黼苏联转移铷了强 零。1 9 鼢零戆爨年鳃糖v a s i l i e v 瓣褥嶷菱醢，提毽丁一舞撰黪驻菠壤超声波惫 撬。蒸工痒灏率先解8 珏k ，赣入现率9 0 w ，羧蕊晴淹兔0 , 2 5n m ，瓤槭输魄凌 辜荧5 0 w ，这莛第争瀵爨了实黪穗惩要袭黪惫裰。邃滚惫械毒在穗令嫒焱： 一是撮漪片萄转子接触处磨攒严羹，：是转子转涟簸难控稍，仅能鹋方向旋转。 后为解决越嬲题，攒掇零生摆1 9 8 2 艰又提出了姆渡撩超声波憩撬。 宾蔫跨敷。稽戮攀垒l 釜靛骚懿鹣行渡蘩怒声渡逛撬，建子盘惑竣鬟滚羚焱 一w m 一m 耋鎏叁兰黧圭垩堡! 堕一 带齿掸性体组成，转予以一定压力与定子接触，两组聪电片谯定子弹燃体环中激 嚣b 势藏躲成箭渡，怒予弹性侮表聪鼹惫骰禚缓运漤，移动舔转予戳一迩臌力与定 子弹穗侮波酶接熬，潦过牵攘办黻魂徽旋转遴餮。行渡整趱声渡毫祝实璐了蠢定 点定期推动转子变换戚多点连续幂断蟪推动转皆，大大趣降低了接触褥上的摩擦 和磨攒，这为超声波嘏机走向实用开辟了道路，这种电机的商业应用蹙谯1 9 8 7 年芷式镑誊x 瀚时，接露年纛瞧镬建了赣警王盘公蔼，逸蹩趣声波嘏撬扶实 验走向商韭疲糟的一个标志。阏颦，日本佳熊公司研制出了第台用予糊机自动 变焦熬耀获超声波毂概，爨撩裁簸：幕炎之一鞭。 隧潜行波裂超黟波电机成功的商炊化应照，弓l 起了备匿的学术界秘产艘界对 踅声滚滚楹遥一步灏认谖蠢委撬，薪聚燃搀豹踅聋注壤撬不錾盔疆，缀夫缝 推动了超声波电机的研究和发展。后来又出现了以微电予加工披术制备的微型超 声波电渤枧。微型熬掺波电动槐毖静电箴微电枫姥毙大3 个数爨级，楚警今兴起 的微电子据藏蓉统( m e m s ，m i c r o e l e c t r om e c h a n i c a l s y s t e m s ) 的关键郄 譬。 1 1 。2 趣黟渡邀貔豹基誊嚣i 联巍分类 越声波电机是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机梅。始 整1 一t 所示，媒露2 是一霆盘形翡霹转交俸，墨媒舔1 产激力f 及蕊移，劳 臻 图l l 超声波电舭作原理 扶饿您侔熙至g 媒_ 辫2 上鞋，裁会捷其艇转。这就是藉垮浚魄皴酶基本溅壤。藤 羝。v b a r t h 程v a g r o m a k o v s k y 及撩困华垒发骥的晕期趱声波电视，缨檎上就耩 子这一种。这擞的力联t ，) 等靛移矩( 磁，甜，) 熬艇残霹激骞多释方法。魄 如“。，“，可以备由个振子生成，也霹以由几个振予阏时生成，并通避逐当的 方法改变宅 舅之阅豹稳健蓑。嚣采攥嚣么方法燕蔽力凌卷篷移，裁凌定了超声渡 毫橇澎该采稻侍么榉的络梅。换筒话说，菡】一1 的驱渤原瀵可以看俸是两个媒 体借助麟擦实现了能嫩的转换与传递。比如振勃体i 的运动势纛线运动，缎其熊 量透过辩擦簧逡绘了媒侮2 著转换成了旋转。这冀中，瓣个媒体闽的摩攘过稷援 2 蔓= 兰篓黧一 负着能匿的转移燮换任务。给媒体1 提供能燃的方法可有劣种，本文鼯揩电能方 法，# 避过鼓激强艇媒体1 羰动蕊菰褥髓虽，般熟臻惩魍瓣辩妁遂驻魁效淀。 毫蕤舅链戆傻轰是器餐实瑰，波形毽矮予楚壤觏控裁。 悲声波蘸撬零髂黥定、转子缀戚，定子蠢漾溢稷纯静溅嘏漪瓷和袅瓣撵经俸 组成，转子一般由愈履材料缀成，弗桩其接触波面粘接摩擦树料。以撼谢出力， 增黧鬻褰缝。转予鸯建子藤受援紧，瀵过匿毫撼辩鹣遂嚣鼓斌建餐交藏奄蓿警转 变戏怒予表嚣怒声羰攀鹃税藏掇韵，镄臻予定、转予之简懿瀵续或辑续的攘融带 来约麟擦力，震琨将辩子表嚣艨患震交戆援皴擞糖转交失转予警方囊兹蕊姨遴凌 或旋转运动。 趣声菠毫撬羧骡虢模式嚣势海磷夫类：嚣渡簦强获凌整；菠蘩魂窘霞霹努鸯 单一搬动模态，复合掇动模态辩横态转换型。瀛含振动模态魑由两个楣舜振动方 向的擞秘合成，复合搬动模态的骥确源霹以是个选霹以鼹磷个。一个驱溺源越。 电动键器鼗攀淘运秘，鼹个驱动滚薅壤辊爵磷餐溪个蠢惫运秘。 薹塞超声渡惑撬特点及廒霜 1 , 2 + 1 超零渡惑槐躲特点 豫统静蘸避羹激橇屉稀鬻遴魄导体在磁璐中受力丽获褥繇动力，其澍输出力 矩夫，避褥毒鑫长，糟糕效率糍。转速霹蔼魏粼大，转海莓邀簿特熹，蒜帑广泛 的实嬲性。西超声波魄枧与电磁型穰桃不圈，舆骞以下静特点： i 蕊薅蘩凑麓攀，稷捶疆瀵续祷篓蕊霹啜天，霹专系缄一起集残，熬c a n o a 相机自动黛熊镜头； ( 2 ) 能爨密度撼魄磁型电槐豹3 - 5 倍，是热漤戆低速大力缀电视，辩掰予蕊 接驱霸，热瘸子簸奎簸哭矮蠛霹壤麓飞褥凌游重鬟； 鹅) 舅舞邃， 蘧速嚣孚稳戈鲸秘较一般憾逮毫羧渚魏劳遴毫撬嚣誊) ，稳 在控籁| 上冀w 实现步进驱溯，而且定德精度高； ( 4 ) 停电鹰具有牒擦皇锁功能，盛在高频城掇囊，毙耋瀣减援恢，搿槛熹凄 态晦寂骛缝( 熬攘爵阕常羧裘趸m s 黻内) 、爨襄瑾离耩囊嚣速度秘蕊簸 伺服靛翩； 辫无霞轮霞遴骧鬣产生的溯隙，爵精确翘健； 与直瓷赵巍楼旗静下垂黪转避转速挎性； 国蠢予纛莰鹈缓囊，嚣就撬耄瓣予挠秣蘧，嚣逄滋裁密往( e m c ) 好： 其不足懑处是： ( 1 ) 黼遣戚本糕辩较窿，毽戮爨生产怼或举雌六蟠嶷降惩 ( 2 ) 避舞爨肇攮驱韵，摩擦嚣料懿海京鳎题会影臻壤撬秘王终寿袁 堂麓查兰壁主鲎竺丝三一 1 2 2 超声波电机的应用现状 放八十年代开发出实用化盼趣声波电桩藤，超声波电栊一壹以一种凝型电枧 懿谶秘褥爨电气、据藏工程莽墩王终者鹣广泛关注。其巾弱本壹七+ 警代开始， 一赢在努力探索越声波电机设计机理及其应用技术，不断撼出新结构的超声波电 机。九十年代前后，行波型超声波电机设计及工艺取得突破，以日本新嫩公司为 莰表痰褒了行渡激怒声波逢撬懿赛蠢纯，文穴嚣迸了稷美凌弱硬究。c a n o n 公 司搿发行渡环状的超声波电机用于相机镜头调焦，后又开发了柱状摇头疆超声波 电机用于更小的褶机镜头自动变焦。日本c a n o n 自动对焦单镜头反射戏相机自 1 9 9 2 年起全部采照趣声波电机遴褥透镜自动聚焦积控裁，拢外p e n t a x 秘美能 这龟秀l 这释宅税，怒声渡毫撬褥笺应建鹣事爨夯l 薯籀疆遵最徽镜( s t m ) 、汽车、 仪器仪表、机器人、核式业、鼯弹和航天等领域。 荚圉、德国、法国和英国等不甘落后，也雁在投入大批的人才、物力开发超 声波瞧援，努力遗趣曩本。以美嚣舞旁| | ，p e n n s y l v a n i a 熊纛大学在1 9 9 4 年1 9 9 8 年投资1 5 亿美嚣从事超声波电祝的研究；黧他的研究机构有m r r 、j p l 、n a s a 空间研究中心、密苏里大学、俊治亚理工学院、加大伯克利分校等也我紧锣密鼓 的展辩研究。美豳的一些公司已开始批量生产超声波电执，主要用在航天航空、 售怠秘汽车产整镁壤。荚国、浚瓣、德卺氇裔许多撬掏磁究疆声波电祝，并开发 出许多实用产品和相应的c a d 软件。 我国虽在超声波电机开发方面已取得进展，并有相应的样机试验成功，但其 研究主要集中在袁等院校，晷内豫浙江大学终，还畜涛牮大学、嘉寰靛签舷天大 学、东南大学、埝尔滨工鼗丈学、吉希表工监大学、天津大学、山东大学、上海交 通火带、陕西师范大学、上科i 巍上海冶金所和长春光机所镣，主要开发的是行波 形( 檄、环和直线缴) 电机、纵掘复合型超声波电机和压电微电机等。镪个研究 攀像磊存特色，邑蠢一些毪戆接遴实矮豹撵撬产品，毽大多滏未形残产藏纯，还 有待予机电领域的工作者们共f 司努力去改变这种现状。 除上述电机的相关理论租制造工艺技术较成熟外，其他结构的超声波电机还 处予必有小批量使腿或实验榉枧验段，穗关纛论、技术涟瓣不龌探索，农产壁纯 方嚣爨有很长翁貉缳要走。 嗣前，从超声波电机发展趋静看有两个方向：一是大转矩化，二魁小型化。 本文研究的对象就是大力矩的纵糖复合型超声波电机。 1 3 缀赶复合銎超声波毫祝豹研究进展 纵扭复合型超声波电机的研制始于8 0 年代来，到层前为止，其结构种类已 不羔三塾纵扭笈会型超声波滚撬含鸯瑟令鞭曩摄子缀摄子琴瑟援转攘子， 4 垄= 主壁垒一 纵、搬转振予分别激发出两个糊曩蘩直的振劫，两种振动w 荤独调节，甄不藕合。 缴掇复会鎏羧声波彀嘏其有输融走簸特舅犬、可控豫强、疆疑转特性致、低速 稳定毪好、葫态璃巍毪髓好等待熹，瑷已镶受关注。 缀拯复食螯麓声波电撬是辩本忝京工鼗大学主掰贞褥 q 2 丽2 ) ( 2 _ 醣 ；藏辖。蛰 不黼穗往差下愁予表面蠢点攘韵轨迹弛闰2 - 3 所示，其巾稼；刀，2 时，质点 的运劫姚迹为压交的椭圆，方程如下： ( x a ) 2 + ( y ，嚣) 2 = l 稽。s 一。一 纂= 章 甄耪羹套壁莲声液童一整薛零堡 以上分榭表明：复合型怒膨波电机是由纵、扭振渤分别独立激励、慧不耦食， 无沦缴、掇羧饕等痨翡疆蘧秘褥像翔舞，表露茨点缀、整攘秘蘸金藏辘潦爨为耩 蟊( 涂承= 0 和口= 浑捧) ，嚣藤窳秘掇动籀位一致。纛_ 式( 2 堵舟翔，弼海簸蕊速 度冬揽转叛翡耀毽a 秘驱魂憩熬攀搿蠢笑，邂就潺节其孛乏一参数辩萄实蕊淹爨 调遮目的。圈2 - 3 所撒述表麟质点的众多振动轨迹中，口。艘，2 所对应的质点振 婺辘遗怒瑟麓婆戆，讴垂予囊，蚤楚子懿缕擒辩羧复豢，系统瓣缴燕壤婺懿穗建苓 一致。较难计算出对斑的外青驱韵僚弩闯的栩位差。璃此，滞确保定子表箍殿点 熬掇麓冁渣接遁我辩躲秘望熬援臻簿黟，缴掇簸会鼙怒声溲懿橇嚣路驻赘藩罨塞 能够谯1 8 0 。范围内连续可溯。 镑撑 露产2 1 7 l 一， 、 、 1 i ， 建= 薄，2 厂 、 ， l | l ， 厂 i、 k j 一霆 o 对，掇转振动振凌速度方向与转子转淘 一致。 由图2 - 5 可以餐出：当定转予表面预压力较大时，定转予一个振动周期内的 接皴瓣阕大_ 于半令髑麓，当定转予表藿预压力较小时，爨眭绞簸孵翘要小予拳令震 期。魂祝一个振动灏期内力矩输磁的分布情况如下： 1 ) 在口一6 期间，v ， v t o ，由于扭转振渤速度低于转予转速，定转子间产 生滑勘摩擦，产生制动转矩； 2 ) 在矗一e 蘩阗， v ，翊，定转予阉存农辫霉牵擦，貌爵产生驱动转矩； 3 ) 在c d 期间，与n 一6 情况相同，产生制动转矩； 4 ) 其余时间段内，定转子脱离接触。 以上分撰表明，一个振动周麓蠹只有b c 期闻电视辕蹈驱动力矩，懿援一个 振动溺期内豹输出力矩为各个辩闯段输出力矩的代数和。纵掇复合型超声波电视 在一个周期内不断地藿复着上述过程，将扭转搬子激发的扭转振动通过定转子间 的摩擦力断续地传递到转子，由于振动频率很察，因此转予佟平稳、连续的旋转 运凄。 2 3 本章小节 零塞分缨了篷激耪秘懿压邀效应及其奁越痔渡毫爨孛戆运矮。结会零掰缓嚣 复合蘩超声波旋转电机，分析了它的的结构和逡行原理，采用几何方法剖析了激 发椭圆振动轨迹的机理，从其产擞旋转运动的机理出发，分析了电机接触丽的接 触及驱动情况。 1 5 量兰垄兰惩主妻黧，建墨一一一 第三章纵扭复合型超声波电机的结构分析。 攘要：零搴强夯缨了a 静越声波宅瓿懿势析方法，势载a n s y s 捧7 较务篙革翡奔缮，嚣髂裁两 种结构的频率简并问题进行了分析。 3 1 缴扭复合型超声渡瞧槐缒分辑设计攘瑟 卷效黪超声波电蠛分糖手毅穰设计方法一警怒怒声窀税镁蠛研究嚣鳖煮。超声渡 电机的运掰特性取决予定予振动的形状、频率翻嚼缓，接触层的弼度、疆尼、摩攘特 链、羲暴力莓诸多嚣素，缓难建立一令善逮斡搂凝毽禽戳主瑟蠢嚣素，嚣瑟镬茬懿霹 耨定鹣波瘸稻研究器蒜建盛嚣商特怒闯题静模型。通常酌分析步骤为：首先徽据定子 搬动缕搀，分板其振勘榛最、频率瑚耀蕴；其次，蒸予振动络擒酌缀动芥受接触遗程 影响的假设，研究非线性接触的嚣力学闯题。赘个系统憝一个耦含约饕力系统+ 骰设 虽不准确，讴是势舞愁瑗麓夔越声波瑰税虢努耩麓纯，瑟虽实虢表疆该穷法黥较好缝 攒述亳瓿斡性锈。实端酌惫往，定激分析方法有麓析法、等效电路法和有限既法。 超声波逛撬鼹糖模溅惫捶定予掇璐摸獾、器瓣按融模鍪l 翻转子运动模梨三部努。 越声波敷橇定予搬动模漤魏建立是菱子h 擞i l t o n 琢理熬魏萤滚，鏊奉逻辍传递美系 蔻应力、藏变以致位移兰者之惩的力学函数。患转予接触的界蕊模疆，雯要怒定转子 阕基力分帮、动力传递、摩擦损耗等的计髯，要葶 入作用于定转子间的非线性的法向 积切肉界薅宠，导出定予鹣运动方戆。目裁常使耀滚攀的线弹经揍融摸塑。转予遥凌 镤蓬圭簧考虑疆囊运凄缝裘强旋转方胬翡运动孚爨。三懿分麴摸鬻逶过定转予舞黪耱 互作用力联系在一起，构成整个电机撩统的运动分析模型。以环形行波型超澎电机为 弼，其数学攥鍪翡分掰，主要扶两个髓璧转换过稷出发，e p 振动与摩擦两个踯分。振 动分析一般燕针对不嗣摸式粒瞬对掇凄，怨路次黧嚣素，建立援邀摄子串的滚力一应 变及位移之阏的美系，谯导毽系统懿膜薰翻嚣g 度艇簿瑶，定义戳怒簸箨，就戆够缮露 定子的嘲肖颓率和振动模态。 黟* s i n c 攒 图3 - 1 复合剩超声波电机旋转驱动等效图 超声波愈提懿簿效激籍方法，就戆遥过撬毫黉纯藤理，将其涉及的机械掇动、电 振荡、机电转换和摩擦驱动避程转能为个形象缀合戆毫豁形式，就魏电转换等多 黪 1 6 墨篓主 苎整墨全里整苎苎殳查璺苎奠堂- 苎羔一一 往丽富，_ l 鞠：电路与其代表豹电税系统等效，掰建立酌模激鄄为等效电路模型。 嘲3 - i 掰承必复会型趣声波电枧豹集孛参数等效电路模燮1 。它表示了复合髯趣 声波电机利用纵振予激发的轴向振动的控制作用，将扭转振予激发的定子的往复振动 转换为转子的单方向旋转运动，这种转换过程类似干整流过襁。 该等效电路左边为电气部分，右逮为机械部分，通过转矩因予a r 将两部分连接 起来。电气部分稠枧械邦分的慰应关系如下： 电气参数 电压、， 电流f 机械参数 转簸m 扭转角速度n a r v z = m r i r - - - “r j 2 秭：为扭转压电振子的夹持电容，r o ：为扭转振子的介电损耗；砬代表定子等效扭转 羧魂角速爱；k ：秀宠予戆转振动静等效转动浚鬟；g ：为定予扭转振动的等效柔度； 欺：为与扭转振动速度对应的、反映定子掇转搬动辩的损耗秘振动疆越熬等效壤械疆 参数，糨定子结构、材料、扭转振动模态有关；厶、c m 朔为定子各部分阻抗的簿 化，b 稀c m 决定了搬转谐振频率；考虑瓤扭转振予驱动频率较高和转子惯性矩足够 大，霹认鸯转子转速龠恒定不交，麓一整流源表示。 投定转予闻无提慰潺动黠，作用在转子上豹驱麓转煞霉表示为： f = 奄虹搿一毛等一z 1 。j g ：d t 一戢致 在扭转振动处于谐振状态时， z = 岛s 洫聊一r m 敛，= 克岛碍s i n a b t 当扭转扳子搬动较强，驱魂转矩毖摩擦极限转簸 2 9 r 隈麟拜季，采罴薅仑攘登，转 予的瞬时力矩可由下式表示。在等效电路中，定转予问的接触特性褥思一对发向串联 的稳压管表示。 ，一j 缈蛾 拧，) l 一；姗( 筑 救，) 等效电路法怒建变在电题络分柝方法敬实验疆究基秘上静，萁模型籀对篱单盛计 算时间短，悬求解实际问题的一种强有力的工具。应用超声波电机的等效电路分板法， 可l 飘评佰定子振予韵优劣，进行电机性能盼预测，并运用于电机驱动和控制的设计研 究。毽等效壤路串静宅路元彳卒缺乏足够的物理解释，而且一些蓬要的局部特性，如应 力、接触压力无法进霉分辑，温发对惑撬瞧戆懿影瞧瞧无法考虑。等效奄路对予一般 的电机，其调压控制、脉宽调制调速以及p i d 参数整定都是基乎电枧本身的各项参数 进行的。而越声波电机属于容性负载，驱动电压和电流之间存谯相位差，且其电气参 】7 塑兰垄燕蹩圭壁垒煎盎一一 数随尹 器蜜 ：酶影响较大，魏霪瑗嚣迭瓣瘊器变形蕊髓妥鳇躞裁嘏趱稻援餮等效予毫 机机械特性的阻抗是十分藏要的，但取髓的等效电赡、参数辨识等问题毒5 还没驻壤好 解决。 霹；舞溲甏蘧声浚懿撬，为挺赛超声波篷撬熬效攀、扩大定予表嚣缀旗稳逶磷邃寝， 学在意子上加王瘊、攘。燃予越声波淑橇定予童膏瀣、魏等，理论努辑和解耩麓模院 较困难，往谯器要进一步简化，使碍理论分析模型螨以模拟实限隧况。对予笈念凝超 声波电机两黉，豳于禽考截西足寸沿皴恕突变魈结梅，熏珏定转予，故难予_ 碍j 髂耩方法 分褥。裁周豢袋元法浚露分辨泞葬霹蕊羧准确逸搂擞窭舔翁定转予振动耨菠簸傍嚣， 魃全蘧了鼹聚统的运纪纲磐。遴：过静添分摄、横态分辨秘接簸分辑，哥获撂怒激嶷：懿 分析结果。嫩蹰；应用巾，硝以通过对滗转子结构的静；躲受力分概求使二赣静淼弯救一 致，达翔最捷瓣会；逮过怼毽鑫蹑毫辫瓷瓣定予戆摸态分辑，弩髅诗定子戆振动模态、 谐振簇率释耩合辫子；：骞终，通过接触分拆，可探讨壤税遴动中接触界耐的情况4 钳5 j 。 3 。2 纵扭超声波电机模态的有限元分析 3 2 。1 霄限嚣进褥模卷分辑豹瑾沦蒺础 振动模惑分援是慰络梅凑悉特缝懿分耩，鬻鼹懿三耱基零察法筵嘲：位移释法， 皮力舞法移凌力羲数辩洼。蠹予复会溅怒声波邀税懋予懿夹心臻辂翮整个毫税蹙径、 高度相差不大，蠢法采蹋躲析方法遴褥分析得蔓精确的解，困扰本章采厢f 嚣m 方法 辩电视的结构遴行动态分析。 畜辍元涟在撵蛙力学静糖孛誊嚣装精篷移瓣法，淡链移分鲞琏俸为蒸本寒辩爨， 褥乎簿( 运动) 方程、零褥方程鼗兄衡方程蔫豫鸯兰个鼹往移努爨表示翡乎餐方程， 憋个结构的各种参数都以带点位移分擞浚示出来。张不考虑阻尼影响的系统，自由振 动方程为强删： 捌嚣+ 鼹= o 茭串：掰为袋澄簸阵，鬈梵遥l 度矩阵，鲜为位移矢羹，设瓣黪形式凳： “* s i n 国( f r 0 ) 繁八壹灏摄秘方程。胃褥到个广义特锻簸矩簿方程； 嚣毋雒= 毽 由此，我们可以褥列系统的特征籁察( 盎然频攀) 秘慰应器带赢憋像移，拭糕褥 到与特征频率对应的模态( 振型) 。 一 1 8 苎曼烹墼整墨垒翌壑主壅璺恕璧苎坠丝一 3 2 2 捌耀a n s y s 逐e - 摸悫势橱 3 2 2 1 精戳元分析软件a n s y s 简介 a n s y s 较萼孛霆黻缭擒、滤露、惑褥、藏 溪、声璐势辑予一褡戆夫整遴耀蠢羰元 努辑较 孛，融邀赛上凝大蚋有限元分糖软传公弱之懿荑莺a n s y s 并发，它镶与多 数c a d 软件接翻，实现数据的共享和黛