（电机与电器专业论文）液体媒质超声波电机特性研究.pdf

a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lc o n t a c t1 1 1 t r a s o i l i cm o t o r , t h en o n c o n t a c tt y p e o n ew h i c ht h es t a t o ra n dt h er o t o rd on o tc o n t a c td i r e c t l yr e s o l v e st h ep r o b l e m sc a u s e d b yf r i c t i o n ，s u c ha ss h o r t e rl i f ee x p e c t a n c ya n dc o n t i n u o u sr u n n i n gt i m e s oi ti san e w r e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h ef i e l do f t h eu l t r a s o n i cm o t o r t h i sp a p e rr e s e a r c h e dan e wn o n c o n t a c tu l t r a s o n i cm o t o rw i t hf l u i dm e d i u m a n u l t r a s o n i cm o t o rd r i v i n gf l u i dd i r e c t l yi ss u c ham i c r o - m o t o rw h o s er o t o ri sd r i v e nb y t h ea c o u s t i cs t r e a m i n gf k l dt h a ti sc a u s e db ys t a t o rv i b r a t i o ni nt h ef l u i d i th a st h e a d v a n t a g e so fe a s i e rm i c r o m i n i a t u r i z a t i o nd u et o i t s s i m p l es t r u c t u r ea n dl o n g e r w o r k i n gl i f ed u e t on o n - d i r e c tc o n t a c t a tf i r s t ，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 ea r ep r o p o s e d t h eu n i q u e s t r u c t u r eo ft h em o t o ri sa n a l y z e di nd e t a i l t h ep r o d u c t i o no ft h ev i b r a t i o n ，t h e f o r m a t i o n o f t h es t a n d i n g w a v e ，t h e c o m b i n a t i o n o f t h e t r a v e l i n g w a v ea n d t h e p r o c e s s o 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 t h e na p r a c t i c a ld r i v i n gc i r c u i tf o rt h em o t o ri sd e s i g n e d t h eu l t r a s o n i cm o t o ri s at y p i c a lm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a lc o m p o s i t e ，s oi t sp e r f o r m a n c ei sa f f e c t e dd i r e c t l y b yt h eq u a l i t yo fi t sd r i v i n gc i r c u i t ad r i v i n gs y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h e p e c u l i a r i t yo ft h em o t o r , w h e r eas i g n a lw h o s ef r e q u e n c yi sa d j u s t a b l ei sg e n e r a t e db y t h ev o l t a g ec o n t r o l l e do s c i l l a t o r , t h e nt h es i g n a li ss h i f t e di np h a s e ，s of o u rs e t so f s q u a r e w a v es i g n a l st h a td i f f e r9 0d e g r e e si ns u c c e s s i o na r eg e n e r a t e d ，w h i c hc a r lb e a p p l i e dt od r i v et w os e t so fp u s h - p u l lc k c n i t s ，t h e nt h et w os q u a r e w a v es i g n a l sc a r l b eu s e dt od r i v et h em o t o ra f t e rt h e i rt r a n s f o r m a t i o n a n dt h ed r i v i n gf r e q u e n c ya n d v o l t a g ei se a s yt or e g u l a t e s ot h i sc i r c u i tm e e t st h er e q u i r e m e n to ft h ee x p e r i m e n t s v e r yw e l l n e x t ，t h er o t a t i n gs p e e dc h a r a c t e r i s t i co ft h em o t o rw a si n v e s t i g a t e df r o mt w o a s p e c t so ft h ef l u i dc h a r a c t e ra n dt h er o t o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r t h ef l u i dc h a r a c t e r s i n c l u d et h eh e i g h t ，v i s c o s i t ya n dn o n l i n e a rp a r a m e t e r 1 1 1 er o t o rs t r u c t u r a lp a r a m e t e r s a r et h er a d i u s ，t h eb l a d eh e i g h t ，t h eb l a d en u m b e ra n dt h em a t e r i a ld e n s i t y ，t h e e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a tt h er o t a t i n gs p e e di n c r e a s e sa st h ed e p t ho f t h ef l u i di n c r e a s e s d e c r e a s e sa st h ev i s c o s i t yt o e f f l c i e n ti n c r e a s e sa n di si nr e v e r s et ot h en o n l i n e a r p a r a m e t e r n l er o t o r st h a th a v eg o o do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i ch a v eb e e nf o u n d w h i c h h a v eg i v e ng u i d e st os e l e c ta l la p p r o p r i a t er o t o r a n ds o m em e t h o d sw e r ed e d u c e dt o i n c r e a s et h em o t o r sr o t a t i n gs p e e d a tl a s t ，t h es a t u r a t e df l o wv e l o c i t yo ft h em o t o rw a ss t u d i e d i ti st h e p h e n o m e n o n t h a tt h ef l u i dv e l o c i t yd o e sn o ti n c r e a s e da n y m o r e c o r r e s p o n d i n g l yw h e n t h es t a t o rv i b r a t i n gv e l o c i t ye x c e e d sas p e e dl i m i t i tr e s t r i c t st h ep e r f o r m a n c eo ft h e m o t o r , s oi sw o r t hs t u d y i n g t h ec a u s ei 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 sa n d t h ee x p e r i m e n t sp r o v e di t t h er e l a t i o n s h i p sw e r ed e t e r m i n e db e t w e e nt h es a t u r a t e d f l o wv e l o c i t ya n dt h ef l u i dc h a r a c t e ra n dt h er o t o rs t r u c t u r e t h e s ea r et h ef o u n d a t i o n f o ro p t i m i z i n gt h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co f t h em o t o r k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cm o t o r ；f l u i d ；d r i v i n gc i r c u i t ；r o t o rs t r u c t u r e ；r o t a t i n g s p e e d ；s a t u r a t e df l o wv e l o c i t y 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，也不包含为获得叁鲞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了谢意。 学位论文作者签名：堵忽 签字日期：炒矿苹年，土月，拥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 持授权叁盗墨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： 易夺在 签字日期：力口乒年， 月彤日 导师签名：_ 乏彳彳毛 签字日期：。v 年v 月卅佰 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 超声波电动机是一种将压电振子在超声频域的振动能转换成机械能的电动机。 其原理完全有别于传统的电磁感应型电动机，超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电 效应激发超声振动，然后通过定、转子之间的接触摩擦力或声场声压作用将振动转 化成电机的旋转运动或直线运动，从而实现电能到机械能的能量转换。 与传统的电磁型电动机相比，超声波电机具有诸多优点：它可以在低速下实现 大转矩输出；不受磁场影响和不产生电磁干扰；结构紧凑，具有较高的功率密度； 形式灵活，设计自由度大；响应快，可控性好，具有停电后自锁功能；运行无噪音 等。正是因为此种电机具有这些特点，一经问世便引起了国内外电机工程界的关注。 目前已经研制出各种型式的超声波电机产品，应用于家用电器、汽车电器、办公设 备、光学仪器和机器人等很多领域，发展前景广阔。 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 许多难以克服的难题：( 1 ) 电机的使用寿命短、可靠性差；( 2 ) 不能长时间连续运 行；( 3 ) 转速低，工作范围窄；( 4 ) 定、转子间使用的摩擦材料使电机构造复杂、 成本增高。非接触型超声波电机定、转子不直接接触，而是通过气体或液体媒质间 接传递能量的，它具有如下特点：( 1 ) 定转子相分离，转速较高，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。 它有效地克服了接触型超声波电机的缺点。非接触型超声波电机的出现为超声波电 机的发展提供了崭新的思路，是超声波电机领域一个新的研究方向。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可用来直接驱动液体，它在保留传统超声 波电机特性的基础上具有结构简单易于小型化、定转子不直接接触而寿命长的优点， 可望应用在航空航天领域等某些特殊场合，它可满足航天器对驱动装置的灵活性、 耐久性、无电磁干扰以及在变化的周围环境中适应性的要求，也可望应用于其它一 些有特定要求的场合。 液体媒质超声波电机是一复杂的多变量、强耦合、时变系统。对于液体媒质超 声波电机的研究处于起步阶段，尚未建立一套完整的理论体系，本文应用流体力学、 声学基础、非线性声学、电力电子、自动控制和实验基础等方面的知识对其一些方 面进行了深入研究和分析。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 超声波电机的发展 人们最初了解超声波电机的驱动原理是在本世纪4 0 年代 1 l ；1 9 6 1 年英国的 b u l o v e w a t c h l t d 公司首次提出用弹性体振动能量作为驱动力的理论，在国际上引起 了轰动1 2 1 。然后，包括原苏联、德国、美国、日本在内的研究人员相继开展了超声波 电机的研究。原苏联科学家于7 0 年代开始超声波电机的初期研究工作，但由于存在 耐久性和旋转方向不能改变等问题，这种电机尚不具备实用化的条件。1 9 7 0 到1 9 7 2 年德国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应用前景的超声波电机，并申 请了专利，但是由于压电材料的响应速率仅有约几十千赫，振子的振幅太小，不易 获得较大转矩，因此未得到推广应用。1 9 7 3 年立陶宛k a u n a s 科技大学的振动技术研 究中心研制了一台模态耦合型可反转的超声波电机【3j ；同年，美国i b m 公司的 h v b a r t h 发明了另一种超声波电机，它用压电元件使一种牛角尖形的机构产生振动， 通过该机构与转子表面摩擦接触来驱使转子运动，但仍未获得实际应用。1 9 7 8 年华 西列夫等人提出了一种转动良好的旋转型超声波电机。1 9 8 2 年同本新生工业公司的 指田年生试制成功世界上第一台能进入实用阶段的超声波电机 4 1 ，他研制了两种实用 的超声波电机：一种是行波型超声波电机，另一种是驻波型超声波电机：日本松下 电器产业公司也生产了两种类型的超声波电机：一种是圆盘形超声波电机。另一种 是圆环形超声波电机。从此超声波电杌进入大规模的实验研究和实用化开发阶段。 随后各种结构的超声波电机不断被提出，其驱动控制电路、应用产品专利也不断地 出现。 1 9 8 5 年日立m a x e l l 公司驻波研究所的熊田明生发明了一种单电源驱动的带纵一 扭变换器的复合振动型超声波电机口j ：同年，立陶宛k a u n a s 科技大学开发了用于定 位控制的步进型超声波电机；1 9 8 8 年日本东京工业大学的上羽贞行发明了由两种驱 动源驱动的纵一扭复合型超声波电机【6j ：日本东京工业大学的高野刚浩和山形大学的 富川义朗等也研制了一种应用环形压电振子的超声波电机。到8 0 年代末期，超声波 电机己由实验室研究所阶段转到生产阶段和推广应用阶段。1 9 9 2 年a n i t a m 等发明了 用于微机器人中的微型超声波电机【7 1 。微型超声波电机也是当今智能材料( 将传感器、 执行器、驱动电源合三为一) 中的关键部件。1 9 9 3 年日本的藤源信绪等制成了转矩 较大的纵一扭复合型超声波电机【8 】。1 9 9 6 年日本的j i r o m a r ut s u j i n o 等制作了 台大力矩复合振动超声波电机p j 。 上述超声波电机属于定、转子接触型超声波电机，其特点是定、转子依靠接触 产生的摩擦力来驱动电机运转的，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 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 要研究方向l 1 0 - 1 3 1 。 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 逐渐地发挥作用 1 4 1 。 8 0 年代末到9 0 年代初，西方发达国家如美国、德国等都有大量超声波电机研究 的报道。进入9 0 年代以后，有关超声波电机的研究已经趋向大型电机和微型电机。 目前大型超声波电机的扭矩已超过4 0 0 n m ；而微型超声波电机的直径仅为1 毫米甚 至更小，清华大学物理系周铁英教授领导的超声波电机课题研究组，研制成功了直 径为1 毫米的弯曲旋转马达样机，经专家论证，认为该样机已经超过日本研制的直 径为1 4 毫米的同类马达，是目前世界上直径最小的超声波电机【l ”。 超声波电机是一个复杂的机电耦合系统，它涉及到振动学、摩擦学、波动理论、 材料科学、计算科学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等，是一项跨学科 的高新技术。目前，日本在超声波电机研究领域处于世晃领先地位，它拥有世界上 大部分的超声波电机的专利。最近几年，美国和西欧各国也正掀起超声波电机的研 究热潮。 现在国内对超声波电机的研究还大多处在实验室研究阶段，清华大学、浙江大 学、南京航空航天大学、中科院声学所、华中科技大学、哈尔滨工业大学、吉林工 业大学和天津大学等高等院校和科研单位对不同种类超声波电机进行了不同程度的 研究，如清华大学在微型超声波电机研究领域已经达到世界领先水平 i “，浙江大学 超声波电机课题组对行波型超声波电机做出了理论上和实验上比较系统的研究，吉 林工业大学科研人员对气体媒质的非接触型超声波电机进行了研究。相信在不久的 将来，超声波电机将在诸多领域占有重要的地位，使其特长得以充分的发挥。 1 3 超声波电机的分类 1 3 1 按运行方式分类 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。接触型超声波电机的定、转子是接触的，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， 其响应速度是传统结构的电机所不能及的，但是这种电机使用寿命较短。非接触型 天津大学硕士学位论文第一章绪论 要研究方向 1 0 4 3 | 。 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存不断提高，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m 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 逐渐地发挥作用【i4 j 。 8 0 年代末到9 0 年代初，四方发达国家如美国、德国等都有大量超声波电机研究 的报道。进入9 0 年代以后，有关超声波电机的研究已经趋向大型电机和微型电机。 目前大型超声波电机的扭矩己超过4 0 0 n t r l ；而微型超声波电机的直径仅为l 毫米甚 至更小，清华大学物理系周铁英教授领导的超声波电机课题研究组，研制成功了直 释为1 毫米的弯曲旋转马达样机，经专家论证，认为该样机已经超过同本研制的直 径为14 毫米的同类马达，足目前世界上直径最小的超声波电机i ”j 。 超声波电机是一个复杂的机电耦合系统，它涉及到振动学、摩擦学、波动理论、 材料科学、计算科学、电力电子技术、自动控制技术和实验技术等，是一项跨学科 的高新技术。目前，日本在超声波电机研究领域处于世界领先地位，它拥有世界上 大部分的超声波电机的专利。最近几年，美国和西欧各国也正掀起超声波电机的研 究热潮。 现在国内对超声波电机的研究还大多处在实验室研究阶段，清华大学、浙江大 学、南京航空航天大学、中科院声学所、华中科技大学、哈尔滨工业大学、吉林工 、k 大学和天津大学等高等院校和科研单位对不同种类超声波电机进行了不同程度的 研究，如清华大学在微型超声波电机研究领域已经达到世界领先水平”】，浙江大学 超声波电机课题组对行波型超声波电机做出了理论上和实验上比较系统的研究，吉 林工业大学科研人员对气体媒质的非接触型超声波电机进行了研究。相信在不久的 将来，超声波电机将在诸多领域占有重要的地位，使其特长得以充分的发挥。 1 3 超声波电机的分类 1 3 1 按运行方式分类 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。接触型超声波电机的定、转子是接触的，这种电机 一般是弹性体通过摩擦材制直接与移动体接触，依靠摩擦力耦台驱动移动体运动， 其响应速度是传统结构的电机所不能及的，但是这种电机使用寿命较短。非接触型 其响应速度是传统结构的电机所不能及的，但是这种电机使用寿命较短。非接触型 天津大学硕士学位论文第一章绪论 超声波电机的定、转子是不接触的，按定子结构分为圆板型和圆筒型，按定、转子 之间的媒质分为以气体为媒质和以液体( 如水、盐水、硅油等) 为媒质，它克服了 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，是超声波电机领 域的一个新的研究方向。由于非接触型超声波电机的研究工作起步较晚且投入的精 力有限，国内外对于其研究还处于起步阶段，公开发表的文献资料较少，日本东京 工业大学上羽贞行教授领导的研究小组分别对定、转子间以气体和液体为媒质的非 接触型超声波电机进行了研究，取得了一些成果。 1 3 2 按输出形式分类 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，根据激励两个驻波振动的方式不同又可以分为：纵一扭振动复合 型和模态转换型。纵一扭振动复合型超声波电机是采用两个独立的压电振子分别激 发互相垂直的两个驻波振动，合成椭圆振动轨迹；模态转换型超声波电机仅有一个 压电振子激发某一方向的振动，再通过一机械转换振子同时诱发一个与其垂直的振 动，二者合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹，机械转换振子可做成不同的形状， 如楔形振子、单梁耦合振子和斜槽转换振子等。对于旋转型超声波电机的研究较多 且比较成熟。直线型电机的输出运动形式则是直线，根据振动模态分行波型和纵一 弯复合型等。行波型超声波直线电机需要单方向传递行波；纵一弯复合振动直线电 机的激振振子产生纵向和弯曲复合的振动，在弹性体的前端合成以用来形成直线运 动。直线型电机一般被应用在物料输送的传动机构上。 1 3 3 按振动模态分类 按振动模态分类，超声波电机可分为单一振动模态和复合振动模态两类。单一 振动模态分为驻波型和行波型；复合振动模态分为模态变换型、模态回转型、多重 模态型和复合振子型。 驻波型超声波电机利用单模态( 纵向振子) 激振，使定子表面被激发出椭圆形 运动i l “。它由l a n g e v i n 振子、固定在振子上的楔形振动片和转子组成。当给振子施 加超声频率的交流电时，振子带动振动片做水平方向的振动，由于振子的前端与转 子端面并不是互相垂直的，而是倾斜一定角度口，因而诱发出垂直方向上的弯曲振动， 所以与转子相接触的振子前端的质点做椭圆形运动，当振动片伸长时，与转子相接 触的振子沿转子表面运动，通过摩擦将振动转变为转子的单方向运动：当振动片收 缩时，振子前端自由振动，不与转子表面接触，因而也就不传递运动。转子的驱动 是间歇性的，但是由于定子的振动频率较高和转子存在转动惯量，转子的速度是稳 天津大学硕士学位论文第一章绪论 定的。驻波型电机由于倾角较小，滑动比较困难，因此损耗较小、效率较高。其缺 点是振子容易被磨损，电机不容易实现双向运行。 行波型超声波电机在定子侧对压电陶瓷激振，利用压电陶瓷的振动带动弹性体 产生振动行波，然后利用弹性体的厚度( 或齿槽) 在定子弹性体表面上诱发横向振 动位移，从而与纵向振动位移合成椭圆运动，使得定子表面质点与转子之间有相对 运动。由于与定子相接触的转子表面上粘有摩擦材料，因而在滑动摩擦力的作用下， 转子得以做单方向的回转运动。如果适当地改变所加电源两相电压的相位，便可以 改变行波的方向，进而改变电机的转向，所以此类电机容易实现正、反转。 在复合振动模态中由于种类繁多，在此以纵一扭复合型超声波电机为例来说明。 纵扭复合型超声波电机由两个压电振子激励：一个是纵向振子( 类似于驻波型超 声波电机振子) ，一个是扭转振子( 类似于行波型超声波电机的振子) 。纵振子通过 压电振子的厚度振动模式激励轴向振动，扭振子利用厚度切变振动模式产生周向扭 转振动，两个振子的独立激振合成弹性体表面质点的椭圆振动轨迹，两振子的驱动 信号频率相同 】7 1 。 1 3 4 按结构分类 按照电机自身的形状与结构进行分类，超声波电机可以分为： ( 1 ) 圆盘形或圆环形电机； ( 2 ) 棒状或者杆状电机； ( 3 ) 平板电机。 另外，国内外学者还研制了很多新型结构的超声波电机：如行波改进型超声波 电机、球面结构的超声波电机、直线运动的超声波电机、单电源驱动的可双向运转 的超声波电机以及结构类似于普通电磁型电机的超声波电机，在此不再一一介绍。 1 4 非接触型超声波电机的研究背景 与传统的电磁型电机相比，接触型超声波电机具有如下明显的优点： ( 1 ) 低速大转矩 超声波电机是利用压电振动产生的能量来驱动转子运动的，其能量密度高，单 位质量能获得较大的力矩。它可在不需要减速器的情况下低速运行，获得较大的输 出力矩，且停电后具有自锁能力( 因停电后定、转子之间仍保持较大的压紧力) 。要 使传统应用的高速、低转矩电磁型电机获得低速、高转矩必须装配减速器才能获得， 而超声波电机则不需要减速器就能获得，这是使它能走向实用化的一个突出特点。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 例如直径为6 0 m m 的超声波电机的起动力矩可达6 0 n e r a ，为同样体积电磁式电动机 的5 到l o 倍。 ( 2 ) 不受磁场影响和不产生电磁干扰 超声波电机的激励是利用压电陶瓷的逆压电效应，不需要磁场也不产生磁场， 因而超声波电机自身不受其它电磁场的影响，同时也不会对周围的设备造成电磁干 扰，超声波电机的这一优点使其能应用在强磁场的工作环境中或者对磁场敏感的设 备中。 ( 3 ) 无噪音运行 由于超声波电机是工作在人耳昕不到的超声频率范围内( 振动频率大于2 0 k h z ) ， 因此这种电机可以超静运行，没有噪声，特别适用于家庭、办公室和一些噪声控制 要求比较高的场合诸如写字楼、医院和图书馆等。 ( 4 ) 惯量小、响应快、可控性好、定位精度高 接触型超声波电机靠摩擦力驱动电机运转，移动体的质量较轻，惯量小，响应 速度快，机械时间常数在l m s 范围，其控制性能优越。因此它可实现高精度的速度 控制和位置控制，如微型机器人、x y 坐标记录仪( 可采用直线型超声波电动机) 、 转角分度台、监视摄像机的旋转驱动等精密仪器中，而不必担心采用步进电机时的 失步问题。超声波电机已经能够实现纳米级甚至更高级精度的定位。 ( 5 ) 形式灵活，设计自由度大 超声波电机可以根据产生驱动力的位置和实际应用场合的需要灵活设计，自由 度较大。比如将超声波电机设计成中空结构、球形结构是完全可能的，并且已经得 到实际应用。环形行波型超声波电机产生驱动力的位置在圆环上，因此如果把超声 波电机做成环状中空结构，可以省去轴承。这可用于相机的自动调焦系统，充分利 用了超声波电机安静、调焦精度高、调焦时间短、结构简单等优点。 ( 6 ) 结构轻巧，功率密度大 超声波电机不需要线圈和磁铁，利用体积小的压电材料作为换能部件，这使得 其结构相对简单，并具有相当高的能量转换效率。且超声波电机具有功率密度大的 特点，在输出同样功率的情况下，超声波电机的重量和体积大约只有普通电磁式电 动机体积的1 8 至1 5 。 但是接触型超声波电机目前也存在一些缺点难以克服： ( 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。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 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 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。 这些缺点的存在使得超声波电机的应用范围受到很大限制。非接触型超声波电机在 保持接触型超声波电机原有的不受电磁影响、无噪声运行等特性的同时，还具有寿 命长和转速高的特点，因此成为超声波电机研究的新热点。目前国内外已试制出多 种以气体作为能量传输媒质的非接触型超声波电机，并对其运行机理及外特性进行 了一定的研究1 1 8 吨0 。 非接触型超声波电机与接触型超声波电机相比较，它们的异同点为： ( 1 ) 接触型超声波电机是通过定、转子间的摩擦实现驱动的：非接触型超声波 电机通常认为是由声压驱动的。 ( 2 ) 接触型超声波电机转子转动的方向与定子中行波前进的方向相反；非接触 型超声波电机转子转动的方向与定子中行波前进的方向相同。 ( 3 ) 接触型超声波电机工作寿命较短，以目前制造出的马达看一般不超过2 0 0 0 小时；非接触型超声波电机工作寿命较长。 ( 4 ) 接触型超声波电机定、转子相接触，具有低速、大转矩的特性；非接触型 超声波电机定、转子相分离，具有高速的特性，但输出转矩较小。 ( 5 ) 二者都需使用两路相位差为9 0 0 的信号激励。 日本山形大学工学部的广濑精二助首先提出了非接触型超声波电机【2 1 2 引。饱设 计的圆板型非接触超声波电机定子采用p z t 压电陶瓷，涂敷在其表面的叉指电极用 来激励定子形成行波，定子与转子间留有- - , j , 间隙。结构如图1 1 所示。转子由硬纸 板制成，带有三个叶片。电机驱动频率为3 0 k h z 。当电机在无负载，输入电压为1 0 0 v 时，转速可达3 0 0 0 r m i n 。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。目前 广濑已研制出直径为l m m 的圆板型电机。 7 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 1 圆板型非接触超声波马达 日本山形大学工学部铃木胜义教授等开发出的非接触型超声波电机采用圆筒形 结构，如图1 2 所示，( a ) 为马达的整体结构，( b ) 为转子结构。其定子由不锈钢制 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行波。电机转子由 硬纸板制成。电机驱动频率为2 0 ，5 k h z ，无负载最高转速可达9 5 0 r m i n 。这种电机结 构简单，且压电陶瓷对定子圆筒的激励是均匀的。 ( a )( b ) 图1 2 圆筒型非接触超声波马达及其转子结构 日本东京工业大学t o h g oy a m a z a k i 等研制的圆简型非接触超声波电机定子由硬 铝制成，定子圆筒由两个郎之万振子激励形成行波，如图1 - 3 所示f 2 3 1 。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 ，马达最高转速可达3 0 0 0 r m i n 。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 3 采用郎之万振子的超声波马达 日本东京工业大学上羽贞行教授领导的研究小组首先提出了以液体作为定、转 子能量交换媒质的非接触型超声波电机1 2 4 。其电机定子由硬铝制成，定予筒一端粘 有p z t 压电陶瓷，另一端用橡胶密封，定子筒内盛有液体，转子浸于液体中。随后， 胡俊辉等对此电机定子的振动过程进行了理论解析，在小振幅理论假设下对电机定 子振动进行了近似计算：此后，又对电机的最佳运行条件进行了讨论，在实验中发 现当定子振动速度超过某一特定值时，转子转速将不再随着定子振动速度的增加而 增加，出现了饱和流速的现象，并对饱和流速问题进行了初步研究【2 ”j 。 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究。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，并对其定子激励原理， 转速特性等方面进行了研究1 2 ”。 1 5 液体媒质超声波电机的应用前景 液体媒质非接触型超声波电机几乎继承了行波型超声波电机所有特性，因此与 行波型超声波电机一样，它可望在许多领域得到广泛的应用，并且它具有自身的一 些独特优势，可望在一些特定场合获得应用，这是普通电机所不可替代的。 ( 1 ) 在有磁场干扰或者不允许产生电磁干扰的场合 由于一些场合存在很强的磁场干扰，普通电磁感应式电机不能很好地运行。例 如，西门子医疗器械公司的r i c t 使用强磁场，而且在调整中要检测线圈周围的磁 场，不允许产生电磁干扰的磁体接近该装置；另外在磁浮列车上，为使列车悬浮在 轨道上，需要通过超导电流产生强磁场，这时需要大力矩和能正确控制的驱动器， 在这些情形下目前只有超声波电机能很好地满足要求。它还可应用于对磁干扰敏感 的设备如：磁带机、磁盘驱动器等。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 2 ) 在一些对驱动电机的外形及结构有特殊要求的场合【3 0 】 例如，丰田公司生产的轿车门玻璃窗自动升降系统：该车车门厚度小，车间夹 层空间有限，而且驱动整块玻璃的升降所需的力矩也很大，用普通电磁式电动机不 容易达到以上要求，由于超声波电机内部结构非常简单，只有定子和转子组成，并 且它的输出力矩基本上只与它的圆周尺寸有关，与厚度关系不大。一般情况下，超 声波电机的厚度可控制在4 0 m m 以内。 ( 3 ) 超声波电机在航空领域的应用1 3 “ 随着空间技术的发展，航天器的功能越来越多，结构也越来越复杂，此时需要 考虑航天器所载燃料的限制，而且航天器中许多部件都需要低速、大力矩的驱动电 机，如电磁波发射和接收天线的驱动装置。其次，在航天器设计中一个必须考虑的 问题是电磁干扰问题，电磁干扰会严重影响航天器上电子设备的工作性能及程序的 正常运行，由于超声波电机本身无铁心绕组，因而也就不存在电磁干扰。若采用超 声波电机驱动，不会对信号产生任何电磁干扰，此时，超声波电机是最佳选择之一。 可见，超声波电机在航天领域中的应用前景是很广泛的。伴随宇宙空间的开发和产 业机器人的高速化、省能化，非接触型超声波电机可望在太空机器人中得到广泛应 用，它可满足太空机器人进一步减小质量和体积的要求，同时还满足其灵活性、耐 久性、无电磁干扰以及在变化的周围环境中适应性强的要求，非常适合太空机器人 的驱动需要”。 ( 4 ) 需要其直接驱动液体的特殊场合 以液体为媒质的非接触型超声波电机可用来直接驱动液体，可望在航空航天领 域和医疗仪器等某些特殊场合获得应用。 综上所述，液体媒质超声波电机在保留接触型超声波电机的大部分优点外，也 克服了接触型超声波电机的一些缺点，在小型化、高速化和长寿命等方面更占优势。 液体媒质超声波电机的出现突破了接触型超声波电机的摩擦驱动方式，极大的扩展 了超声波电机的研究领域和应用领域，是超声波电机崭新的研究方向。随着对液体 媒质超声波电机不断深入的研究，它必将会在电机领域占据更加重要的地位。 1 6 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。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： 1 0 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 在建立液体媒质超声波电机数学模型和进行声流场运算的过程中限定了一 系列的条件，而影响它们的因素是多方面的，因此希望建立考虑电机各方面因素的 数学模型，并进行较为精确的运算。 ( 2 ) 前人对于电机的特性研究基本上仅限于其基本特性的实验研究，要深入了 解电机的特性必须对其进行全面的分析，其中转速转矩特性是尤为重要的方面，在 对电机的综合运行特性分析方面有待开展进一步的工作。 ( 3 ) 在实验研究和理论分析的过程中，出现当定子振动速度超过某一值时流速 达到饱和的现象，即当继续增加定子振动速度，而液体的流速不再随之增加。饱和 流速直接影响着电机的转速极限，它与液体本身的特性有着密切的关系，因此有必 要对不同情况下的电机饱和流速极限进行深入研究。 ( 4 ) 液体媒质超声波电机是以牺牲电机的输出转矩来获得长工作寿命和高转速 等优点的，但是其输出转矩较小的缺点是其走向实用化需要解决的一大难题。 ( 5 ) 对于电机结构设计处于起步阶段，其设计理论尚需完善，以改善电机的特 性并提高电机的工作效率。 ( 6 ) 电机在谐振频率附近具有良好的运行特性，但是其谐振频率受温度和运行 环境等多方面影响。电机控制系统的优劣对其有着至关重要的影响，因此需要建立 电机的控制模型，优化电机的控制系统。 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 ) 与天滓市自然科 学基金( 0 5 3 6 0 3 3 1 1 ) 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彳亍 机理；分析了液体流场的传动机理；结合电机的特点，设计了一套实用的驱动电路： 对电机的转速特性及饱和流速特性进行了较为详尽的理论分析和实验研究。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 0 k h z ) ，相位依次相差9 0 。，电压在超声 波电机的额定电压附近，频率在谐振频率附近； ( 2 ) 为满足调速要求，选择调压和调频相结合的调速方式，要求其转速连 续可调： ( 3 ) 有正、反转控制功能； ( 4 ) 为提高电机和驱动系统的效率，驱动器的阻抗需要和电机的输入阻抗 相匹配。 3 2 液体媒质超声波电机驱动一控制电路研究 根据液体媒质超声波电机的频率特性，选取了连续可调、响应迅速的调压和 调频相结合的调速方案。整个系统包括可调节频率的信号发生器、移相电路、功 天津大学硕士学位论文第三章液体媒质超声波电机的驱动电路研究 放电路与升压电路等部分。电机需要采用四相电压有效值相同、频率相同、空间 上和时间上相差9 0 。的高频正弦交流电来驱动。由于该类电机作为负载时呈容性， 可将方波信号中的高次谐波滤掉而将其变为正弦波，这样，只要系统能够产生四 相电压有效值相同、频率相同、空间上和时间上相差9 0 。的方波信号即可，从而 使得电机控制系统的设计大大简化。 图3 1 所示为液体媒质超声波电机驱动系统结构示意图。 r - f厂 掀电路目箍岸 图3 - 1 液体媒质超声波电机驱动系统结构框图 本文选择了变频调速方案，使得驱动器工作在超声波电机定子谐振频率附 近，而且驱动器的输出频率在略高于电机机械谐振频率的范围内连续可调。同时， 考虑到整个系统便于携带和使用，系统采用直流1 5 v 蓄电池供电。 3 2 1 可调节频率的信号发生电路 在驱动电路中，需要调节电机的驱动频率来实现转速的调节，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。由于信号发生器输出的信号要进行 移相四