（电机与电器专业论文）液体媒质超声波电机有限元分析及运行特性研究.pdf

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 f m o t o r , a n di t so p e r a t i o np r i n c i p l ei s d i f f e r e n tf r o me l e c t r o m a g n e t i cm o t o r s t h ee n e r g yt r a n s i t i o ni sc o m p l e t e dt h r o u g ht h e e n n v c f s op 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 cm a t e r i a l b a s e do nt h ec o n t a c tp a t t e r n b e t w e e nt h es t a t o ra n dr o t o r , u s mi sc l a s s i f i e da sc o n t a c tt y p ea n dn o n - c o n t a c tt y p e t h ec o n t a c tt y p eu s m ，w i t ht h es t a t o rc o n t a c t i n gt h er o t o rd i r e c t l y , i sc h a r a c t e r i z e d b yl a r g et o r q u e ，l o ws p e e d ，l o wn o i s e ，q u i c kr e s p o n s e ，a n d i s n td i s t u r b e db y e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sm a k ei tp r o m i s i n gi na s t r o n a u t i c s , r o b o t , c o n t r o ls y s t e me t c a tt h es a m et i m e , t h ec o n t a c tt y p eu s mh a ss o m ep r o b l e m s c 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 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 t h en o n - c o n t a c tt y p eu s m ，w i t ht h es t a t o rn o tc o n t a c t i n gt h er o t o rd i r e c t l y , r e s o l v e st h es h o r t a g e so f c o n t a c tt y p ea n db e c o m e st h en e wr e s e a r c hd i r e c t i o ni nu s m t h eu l t r a s o n i cm o t o rf l u i dd r i v e nd i r e c t l yi si n t r o d u c e di nt h ep a p e r t h ei n s i d eo f t h e s t a t o ri sf i l l e dw i t hf l u i d t h er o t o ri sf i x e db yt h ea x i a li nt h ef l u i d t h ee n e m y p 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 df r o mt h es t a t o r t ot h er o t o r t h r o u g ht h ef l u i dm e d i u m ，w h i c hr o t a t e st h er o t o r v a r y i n gt h ef l u i dm e d i u m ，t h e d i f f e r e n ts p e e dc h a r a c t e r i s t i c sc a nb eo b t a i n e d t h em a j o rr e s e a f c hw o r ka n da c h i e v e m e n t so b t a i n e di nt h i sp a p e ra r eo u t l i n e da s f o l l o w s ： ( 1 ) t h eb a s i cs t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo f t h eu s m f l u i dd r i v e nd i r e c t l y a r ei n t r o d u c e d t h ef o r m a t i o no ft h es t a n d i n gw a v ea n dt h ec o m b i n a t i o no ft h e t r a v e l i n gw a v ea r ed e d u c e d t h ep r o c e s so fe n e r g yt r a n s m i s s i o na n dt h ea c o u s t i c s t r e a m i n gf i e l di nt h ef l u i da r ea n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y ( 2 ) b a s e do nt h es t r u c t u r ea n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h eu s m ，af i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ( f e a ) m e t h o di sa d v a n c e dt oa n a l y z et h es t a t o rv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h e s t a t o rv i b r a t i o nm e d a l ，r e s o n a n tf r e q u e n c y ，v i b r a t i o na m p l i t u d e ，v i b r a t i o nt r a c e sa n d t h ei n f l u e n c eo ft h ee x t e r n a le x c i t i n gm e t h o do nt h es t a t o rv i b r a t i o na r er e s e a r c h e d t h el o a de f f e c to ff l u i dm e d i u mi sa n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ec o u p l i n g e q u a t i o n b e t w e e nt h es o u n df i e l da n dt h es t a t o r ( 3 ) t h es i m u l a t i o no ft h ea c o u s t i cs t r e a m i n gf i e l di ss o l v e db yc o m b i n i n gt h e n o n l i n e a rs o u n df i e l da n a l y s i s ，d r i v i n gf o r c ec o m p u t a t i o na n df l u i dd y n a m i ca n a l y s i s t h ea f f e c t so nt h ea c o u s t i cs t r e a m i n gd r i v i n gf o r c ea n da c o u s t i cs t r e a m i n gv e l o c i t yo f i i t h es o u n dp a r a m e ) e r sa n dt h ed r i v i n g v o l t a g ea r es t u d i e d t h er e a s o nf o rt h ef o r m a t i o n o f t h es a t u r a t i o nv e l o c i t yi sd i s c u s s e d ( 4 ) b a s e d0 1 1t h er e s u l t so fa c o u s t i cs t r e a m i n ga n a l y s i s , t h ei n f l u e n c e so nt h e r o t a r ys p e e do f t h ed r i v i n gv o l t a g e ，f l u i dm e d i u ma n dr o t o rp a r a m e t e r sa r er e s e a r c h e d a s y s t e mc o m p o s e do fs p r i n ga n dm a s si sb u i l tt os i m u l a t et h ea f f e c t so nt h er o t o ro f t h en e w t o ns h e a rf o r c e ，s oan e wm o d e li sp u tf o r w a r dt or e s e a r c ht h er o t o rs t a b i l i t y u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h ea x i si sn o tf i x e d ，t h ev i b r a t i o nf r e q u e n c yo ft h em a s sc a n s c a l et h er o t o rs t a b i l i t y a c c o r d i n gt ot l l a lt h er o t o rs t a b i l i t yi ss t u d i e du n d e rv a r i o u s o p e r a t i o nc o n d i t i o n st h r o u g he x p e r i m e n t s ( 5 ) b a s e do nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h er o t a r ys p e e d - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s o fu s m ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em o t o ro p e r a t i o ns t a t u sa n dt h ep h a s ed i f f e r e n c e b e t w e e nt h ed r i v i n gv o l t a g ea n dt h eb r a n c hc u r r e n ti nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i to ft h e m o t o ri ss t u d i e d ，a n df u r t h e r m o r e ，t h ei d e n t i f ys t r a t e g yf o rt h em o t o rs p e e db a s e do n f r e q u e n c yt r a c i n gi sa d v a n c e d i nt h ev f v vc o n t r o ls y s t e mb u i l ti nt h i sp a p e r t h e f u z z yc o n t r o l l e rr e g u l a t e dt h ef r e q u e n c yo f t h em o t o r sd r i v i n gv o l t a g ei na c c o r d a n c e t os p e e de r r o ra n di t sd i f f e r e n t i a lt ot r a c kt h ec h a n g e so f t h es p e e d k e yw o r d s ：n o n c o n t a c tu l t r a s o n i cm o t o r , f l u i dm e d i u m ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， a c o u s t i cs t r e a m i n g , s p e e dc h a r a c t e r i s t i c ，r o t o rs t a b i l i t y , s p e e di d e n t i 分 n 1 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，也不包含为获得墨鲞盘茔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：务戈妖 签字日期：p 占年6 月一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫生盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权吞鎏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：务 导师签名： 丧沈 签字日期： b 年石月p 日 签字日期：) 卯g 年占月抑臼 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 与传统电磁式电机利用电磁感应将电能转换为机械能不同，近几十年来迅速 发展起来的超声波电机( u l t r a s o n i cm o t o r ，简称u s m ) 是一种新型电机，利用 压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，工作在谐振状态附近的定子弹性体放大机 械振动，将电能转换为定子振动的机械能。由于定子质点的运动轨迹为椭圆形， 通过定、转予之间的耦合，定子的振动转换为转子的旋转运动或直线运动。超声 波电机分为接触型和非接触型两类，接触型超声波电机具有大力矩、低转速、无 噪声、抗电磁干扰和响应速度快等优良性能，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，引起了国内外的广泛关注。 传统的接触型超声波电机利用定、转子之间的摩擦传递能量，存在许多难以 克服的问题：定、转子接触面上粘贴有摩擦材料，用来增大摩擦系数提高传递效 率，但同时使得电机结构复杂，成本提高；定、转子接触面的摩擦使定子温度升 高，电机的机械特性和电特性随之发生变化，不能连续长时间运行；接触面的磨 损降低了电机使用寿命和可靠性，同时摩擦损耗也降低了电机效率。 非接触型超声波电机克服了接触型超声波电机存在的问题，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。非接 触型超声波电机是通过气体或液体媒质问接传递能量的，它具有如下特点：( 1 ) 定、转子不直接接触，电机转速较高，但输出转矩较小；( 2 ) 无摩擦，电机寿命 较长；( 3 ) 转子运动方向与定子弹性体振动产生的行波方向相同。目前所研究的 非接触型超声波电机= = 要是行波型的，即由定子弹性体激励出行波，利用声辐射 力或声流驱动转子运动。 本文研究的液体媒质超声波电机是依靠定、转子之间的液体媒质传递能量的 非接触型超声波电机。液体媒质超声波电机利用定子振动产生的强声场在液体媒 质中激发出声流，声流驱动转子旋转，定、转子之间无摩擦，提高了电机的寿命， 同时可以通过控制液体媒质的种类、液面高度等条件获得不同的电机转速特性。 电机运行时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，其工作过程还有许多问题有待研 天津大学博士学位论文 究解决。本文尝试应用流体力学、非线性声学、振动学等方面的知识，利用有限 元方法和实验研究对其进行分析。 1 2 超声波电机简介 1 2 1 超声波电机的发展历史 超声波电机是典型的多学科交叉的机电一体化装置，涉及到机械、声学、材 料、摩擦、电力电子、控制理论多个学科，它经历了原理性样机探讨、实验样机 研究、商业化产品开发等发展阶段【1 - 6 1 。 1 9 4 2 年美国学者a w i l l i a m s 和w b r o w n 利用两组压电陶瓷片激发出长条弹 性体的弯曲振动驱动转子或移动体，为此申请了第一个超声波电机的专利。1 9 6 1 年b u l o v aw a t c h 公司开发了利用被激振的音叉的往复运动拨动荆轮而获得驱动 的钟表。1 9 6 4 年原苏联的v v l a v i r e n e o 利用压电陶瓷制作了旋转超声波电机， 并分析了压电陶瓷的振动。 1 9 7 2 年前后，德国西门子公司和日本松下公司研制了利用压电体谐振工作 的直线驱动机械，其谐振频率为几十千赫兹，但工作振幅较小，未获得实际应用。 1 9 7 3 年i b m 公司h v b a r t h 提出一种驻波型超声波电机，分别驱动两个压电体 振动，实现电机的正反转，其力矩较大，转速较高。1 9 7 8 年原苏联的p e v a s i l i e v 发明的超声波电机，在电机振子上激发出纵向振动并诱发弯曲振动，通过和转子 之问的点接触驱动转子旋转，这种电机能够驱动较大的负载，但由于磨损和发热 严重，未能获得实际应用。 日本的超声波电机研究在八十年代以后得到迅速发展。1 9 8 0 年t s a s h i d a 在 v a s i l i e v 的研究基础上，研制了一种楔形驻波型超声波电机，振子以一微小倾角 压在转子上，当振子纵向振动时，振子顶端的运动轨迹为椭圆形，对转子产生驱 动力。电机的工作频率为2 7 8 k h z ，输入功率9 0 w ，输出功率为5 0 w ，输出转矩 为o 2 5 n m 。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，仪能实现单方向旋转。为了克服此类电机的不足，1 9 8 2 年 t s a s h i d a 发明了行波型超声波电机。 行波型超声波电机交现了由定点定期驱动转子转变为多点连续不断地驱动 转子，大大降低了接触面上的摩擦磨损。电机定子由弹性体和两组压电片组成， 转子以一定压力与定子接触。当两组压电片在定子弹性体中激发出行波时，定子 弹性体表面质点做椭蚓运动，转子以一定的预压力与定子弹性体行波波峰接触， 受到摩擦力驱动而旋转。行波型超声波电机为超声波电机的实j 玎化开辟了道路， 第一章绪论 在此之后，1 9 8 5 年日本a k u m a d a 研制了单电源驱动的纵扭振动超声波电机， 1 9 8 7 年s u e h a 研制了直线行波超声波电机，y i s e 等人将定子设计为齿状结构， 大大提高了电机效率，1 9 8 9 年s u e h a 研究了纵扭复合型超声波电机。通过这一 系列的成绩，日本逐渐成为超声波电机技术研究的中心。 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，定、转子不直接接触的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。 1 2 2 超声波电机的分类 超声波电机的结构形式非常灵活，按照不同的分类标准，可以将其分为多种 类型【- 1 0 1 。 按照输出形式，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。直线型电机输出直线运动，可应用在物料输送的 传动机构上。 按照能量传递方式，超声波电机可以分为接触型超声波电机和非接触型超声 波电机。接触型超声波电机的定子上粘贴摩擦材料与转子或滑块直接接触，依靠 摩擦力驱动移动体运动，这是目前研究相对比较多的类型。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) 、连续的点线接触方式( 如柱状弯曲振动型超声波电机) 、断续的点线接触 方式( 如楔形驻波型超声波电机) 和断续的面接触方式( 如纵扭复合型超声波电 机) 。与接触型超声波电机不同，非接触型超声波电机的定、转子不直接接触， 而是以气体或液体作为能量传递的媒质，克服了接触型超声波电机由于摩擦接触 所带来的摩擦损耗、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，国内外对它的研究还处于起步阶段。 按照驱动方式，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。行波型超声波电机采用防止波反射的措施或采川两个压电激励源，在有限长 弹性体内或环内产生单方向行波：驻波型超声波电机在弹性体中激发并合成相互 垂直的两个驻波。两种驱动方式均在电机定子上激发出质点的椭圆振动，直接或 间接驱动转子或滑块运动。 按照振动模态，超声波电机可以分为单振动模态超声波电机和复合振动模 态超声波电机。复合振动模态由眄个不同振动方向的振动模态合成，具体还可以 分为四类，分别为模态变换型、多重模态型、模态旋转型和复合振子型。 天津大学博士学位论文 1 2 3 超声波电机的应用 超声波电机与电磁型电机相比较，具有以下的特点： ( 1 ) 无电磁噪声，抗电磁干扰能力强，适合应用于强磁场环境； ( 2 ) 在低温和真空环境下具有较好的性能，适合应用于航空航天领域； ( 3 ) 结构简单，形式灵活，设计自由度大，可与被驱动装置集成； ( 4 ) i 艺较简单，易实现流水线生产； ( 5 ) 运行在超声频率范围内，无振动噪声。 最近几年，超声波电机已经进入批量生产、工程实际应用阶段，取得了良好 的应用效果。目前超声波电机主要应用在工作时间短、精度要求高以及某些工作 在特殊环境的设备中，其主要的工程应用有： ( 1 ) 民用装置中的应用 日本佳能公司从1 9 8 2 年起研究超声波电机在照相机调焦系统中的应用，至 1 9 8 7 年已成功地应用到e o s 系列配用的镜头上。另外尼康公司和西格玛公司也将 超声波电机应用到照相机和望远镜中【1 3 1 。由于超声波电机噪声很低，非常适合 办公场合、剧院、医院等场所的静音要求。日本东曹公司在1 9 9 0 年春利用超声波 电机直接驱动窗帘棍使窗帘卷起或放下，这种新式卷帘门式窗帘已安装在东京新 宿的东京市政厅的新大厦中 1 0 l 。在汽车中超声波电机可以被用作后视镜、车窗、 座椅头靠的驱动电机。 ( 2 ) 航空航天中的应用 美国航空航天局( n a s a ) 于1 9 9 6 年研制的轻量着陆器操纵器( m a r s a r mi i ) ， 利用超声波电机代替直流电机，重量减d , , t 4 0 t “l 。喷气推进器实验室( j p l ) 在研制的自动爬升系统( m a c s ) 中应用三个超声波电机作为驱动电机，分别实 现前迸、后退和转弯运动。m i t 开发了具有双面齿结构的行波型超声波电机，以 适应空间恶劣的环境和对大转矩的要求1 1 2 1 。 ( 3 ) 工业领域中的应用 超声波电机重量轻、转矩大、电磁干扰小，结构式样灵活，很有可能取代目 前t 业控制领域中广泛采用的伺服电机。采用超声波电机作为伺服电机，可以取 消减速齿轮，减小设备投资，实现快速，准确响应。 ( 4 ) 其它特殊场合 由于超声波电机不受磁场的影响，同时也不会产生电磁干扰，可被用在一些 强磁场环境中。西门子公司生产的核磁共振装置( m r i _ c t ) 磁场强度达至t 1 2 t 以 上，采用了三个超声波电机微调附属于线圈上的电容器容量，避免了手动调节不 准确的问题。超声波电机利用高频机械振动工作，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、噪声小。同时，利用 第一章绪论 非接触超声波电机技术制成的非接触传输装置，可以获得更高的传输速度 1 3 l 。 1 3 超声波电机的研究现状 1 3 1 接触型超声波电机的研究现状 随着对超声波电机研究的深入，出现了许多新结构、新特性的超声波电机， 扩大了其应用范围，这些薪型超声波电机的研究主要集中在以下三方面。 ( 1 ) 微型化 随着微机械、微电子的快速发展，对微型电机的需求越来越多。超声波电机 由于工作原理的特殊性，相比电磁式电机更容易减小其结构尺寸，在微型电机领 域有很大的发展前景，目前国内外都在这方面展开研究。 图1 1 为弗吉尼亚州立大学的b k o c 等人研制的直径为3 m m 的超声波电机【1 4 】。 这个电机由四部分组成：定子、转子、轴承、机盖。 ( a ) 俯视图 粘管各蚜 ( b ) 侧视图 图l l 直径为3 m m 的超声波电机结构图 定子包括金属环和压电环两部分，压电环直径为3 r a m ，采用厚度方向极化， 在其上表面和底面覆盖电极。在金属环的内部有四个爪极，空间两两相差9 0 0 。 金属环和压电环粘贴在一起，但金属环上的爪极是自由的，类似悬臂梁结构。通 过选择爪极的长度和切面面积，使爪极弯曲振动的谐振频率和定子轴向振动的谐 振频率基本一致。转子的底部为截锥形，通过一定的预压力放在定子的中心。当 定子受到激励进行轴向振动时，爪极激发出弯曲振动，在爪极的顶端两种振动模 态合并，形成椭圆形运动轨迹，通过和转子的接触摩擦，驱动转子旋转。实验结 果表明此电机的1 ：作频率为4 6 8 k h z ，起动转矩为1 7 p n m ，最高转速为6 0 0 r m i n 。 天津大学博士学位论文 清华大学研制出一种压电柱式超声电机，其直径仅为l m m ，长为5 m m ，重量 为3 6 m g 。它采用压电柱作为定子，在压电柱的表面均匀分割出四个电极，进行 极化和施加驱动电压。电机的驱动电压为3 5 0 v ，转速可以达到1 8 0 0r m i n ，堵转 力矩为4 肛n m i l 卅。这种压电柱式超声波电机的结构如图1 - 2c a ) 所示，包括定子、 转子和预压力装置。为了提高电机由定子振动到力矩输出的能量转换效率，减少 因径向滑移而带来的能量损失，在定子金属帽上引入了锥形角，使定、转子接触 表面与接触点的振动轨迹平面相垂直。压电柱式超声电机工作原理如图l - 2 ( b ) 所示，定子处于沿圆周弯曲的振动模态，定、转子之间通过切点接触，定子弯曲 振动时，其接触点在定子的外圆周边上连续移动，而定、转子间的摩擦力驱动转 子沿与接触点移动方向相反的方向旋转。 性器件 转子 定子 电陶瓷 旋转方向 ( a ) 电机结构图( b ) 电机工作原理 图1 - 2 压电柱式超声波电机 转千 定子 声表面波超声波电机通过提高定子振动频率减小电机尺寸。淀积在压电材料 表面的叉指电极激发出声表面波，声表面波是由压缩波和剪切波耦合在一起的， 因此和弯曲行波类似，压电材料袁面质点的运动轨迹为椭圆形，放在上面的转子 或滑块将受到摩擦驱动力的作用，产牛旋转或直线运动。 日本m k u r o s a w a 发明的声表面波超声波直线电机结构如图i 3 所示，定子采 用铌酸锂压电单晶体，淀积在其表面的叉指电极激发出声表面波。滑块是由硅材 料制成的，为了提高电机的运行性能，在滑块的表面制造了大量的小凸起1 1 6 】。电 机的驱动频率为9 8 5 m h z ，最大输出力可达1 0 n ，最大速度为0 7 m s ，定位精度最 小可以达至1 2 n m 。通过改变凸起的直径、间隔、预载压力的大小和驱动电源的频 率，可以调节电机的运行性能。 6 第一章绪论 图l - 3 声表面波超声波电机 图1 4 为南京大学声学研究所研制的声表面波超声波旋转电机，其定子材料 为铌酸锂，在上面通过光刻形成两对平行的叉指电极对，转子放置在电极之间， 上面对称镶嵌着多对钢珠，并由3 个小钢珠支承i ”。 图1 - 4 声表面波超声波旋转电机 当在定子表面激发出两列平行但方向相反的表面波时，转予中对称镶嵌着的 每对钢珠将受到反方向摩擦力的作用，因而转子受到多对力偶的驱动加速转动， 到一定速度时达到稳定。实验表明，驱动频率为9 8 5 m h z ，驱动电压为1 0 2 v 时， 旋转速度可达1 8 0 r m i n ，当将驱动频率提高j i u 3 0 m h z 减小电机尺寸后，旋转速度 达至0 2 7 0 r m i n 。 随着微机械技术( m e m s ) 的发展，微型超声波电机作为驱动单元必将受到 越来越多的重视，更多地应用于医疗、光学、微机器人、军事等方面。 ( 2 ) 大力矩 在超声波电机q ，圆环行波型超声波电机的设计方法、运行特性研究得较多， 应用得也最广泛， 日这类电机尺寸减小后，定子上激发出的弯曲行波振幅减小， 使得电机转矩减小、性能降低。另外，定、转子是通过局部面接触传递能量的， 7 天津大学博士学位论文 未能充分利用接触面。 大力矩超声波电机一般为纵扭复合型超声波电机，和行波型超声波电机不 同，这类电机定子通过整个接触面驱动转子运动。纵扭复合型超声波电机是 s u e h a 在1 9 8 9 年提出的，电机定子由纵振子和扭振子组成，两个振子可独立调节， 分别激发出两个频率接近、幅值可调、相互垂直的振动，其运行原理示意图如图 l 一5 所示。扭振子产生扭转振动，用来驱动转子输出转矩，纵振子产生轴向振动， 控制定子和转予的接触状态，当定、转子接触时，定子的扭转振动转换为转子的 旋转运动，当定、转子分离时，转子依靠惯性旋转。通过调节两种振动的相位关 系，可改变电机的输出转矩。 图1 5 纵扭复合型超声波电机的运行原理示意图 浙江大学通过有限元法和等效电路法结合实验研究，确定了纵、扭振子的最 佳安装位置以及压电片上预压力、电机结构尺寸对电机性能的影响，对电机结构 进行了优化设计，探讨了电机纵、扭振动模态简并的可能性。在此基础上，研究 了电机精密定位控制系统、动态响应特性和负载特性1 1 ”“。其研制的大力矩纵扭 复合型超声波电机的结构如图1 6 所示，电机由夹心式定子和转子组成，纵、扭 压电陶瓷片夹在弹性体之间构成定子，转子通过碟簧以一定的压力与定子接触， 转子接触面上涂敷有一层摩擦材料，以增大摩擦系数及减小定、转子问的磨损。 圄一一圄 第一章绪论 刘f _ 乳，肠勿 、测斗 涸 e 一煞 刻 图l - 6 纵扭复合型超声波电机的结构 东南大学提出了一种利用柱体弯曲振动的双转子超声波电机，结构如图1 7 所示 2 2 1 。定子采用l a n g e v i n 振子形式，由螺杆把两组定、转子金属弹性体和两组 四片压电陶瓷元件及电极片连接在一起，两组弯瞳振动陶瓷空间相差9 0 0 。通过 控制驱动电路在定子激发出两个正交的弯曲振动模态，使定子表面质点产生椭圆 运动，从而驱动转子旋转，改变两相激励电源的相序即可改变电机的旋转方向。 电机采用双转子结构，利用定子两端产生的两个相同的椭圆运动同时驱动两个转 子转动，可使电机输出转矩增加一倍，因而效率更高。 图1 - 7 柱体弯曲振动双转子超声波电机结构 ( 3 ) 多自由度 随着科技的发展，一些如机器人关节、精密仪器等装置，对驱动系统的要求 越来越高，传统的单自由度电机已经无法满足要求，因此对多自由度电机的研制 逐渐重视起来。为实现电机多自由度电机运行，电机转子一般为球形。传统的电 磁式球形电机电气结构比较复杂，制造和控制都 b 较闲难。九 。年代t ，期，日本 9 天津大学博士学位论文 的一些学者从超声波电机的研究中得到启发，研究了不同结构的超声波球形电机 来实现多自由度运动。 根据定、转子的接触方式和电机定子形状等特征，可把多自由度球形超声波 电机分为四种类型【2 3 1 ： ( 1 ) 行波型球形超声波电机 ( 2 ) 驻波型球形超声波电机 ( 3 ) 板状球形超声波电机 ( 4 ) 柱状定子球形转子三自由度超声波电机 s t o y a m a 等人研制的多自由度球形超声波电机，能实现二个方向的转动l 。 电机结构和运行原理如图1 8 所示，它由球形转子和两对垂直相交的环形定子等 部件组成，两对夹紧的定子固定了转子。当定子振动产生行波驱动转子转动时， 电机转速与两定子的驱动速度线性相关，其位置和速度的控制较简单。s t o y a m a 研制的样机电机重量为0 2 5 k g ，转子直径为5 0 m m ，最大速度为3 0 r m i n ，最大输 出力矩可达n 0 1 0 7 n - m 。 图1 - 8s t o y a m a 研制的超声波球形电机 浙江大学、东南大学、吉林大学、南京航空航天大学等都对多自由度电机进 行了研究【2 ”。东南大学设计了圆柱定子球形转子三自由度超声波电机，如图i 9 所示。定子采用螺杆把金属弹性体和压电陶瓷连接住一起。压电陶瓷按极性相反 两两叠合成一组，分为一组纵振动和两组弯曲振动压电陶瓷，纵振动压电陶瓷为 均匀厚度极化，弯曲振动压电陶瓷电极分为两部分，且相互反相极化，两组弯曲 振动陶瓷环空间相差9 0 0 。 0 第一章绪论 球转子 弯曲振动p z i a 相 纵向振动p z t c 相 弯曲振动p z r b 相 图1 - 9 三自由度球形超声波电机 为了实现球转子分别绕x 、y 、z 旋转，要求3 相激励电压中每两相电压的相位 差为9 0 0 。激励b 、c 两组弯曲振动压电陶瓷，转子绕x 轴旋转；激励a 、c 两组弯 曲振动压电陶瓷，转子绕y 轴旋转；激励a 、b 两组弯曲振动压电陶瓷，转子绕z 轴旋转。实验结果表明，直径2 0 m m 的球转子，在驱动频率1 9 8 k h z 时，绕x 轴的 最高转速为1 3 6 r m i n ，绕y 轴的最高转速为l1 6 r r a i n ，绕z 轴的最高转速为1 8 2 r m i n 。 在电机转速为2 0 r m i n 时，转矩可达到1 4 0 n m 。 1 3 2 非接触型超声波电机的研究现状 随着对接触型超声波电机研究的深入，其固有的定子和转子摩擦引起的一些 问题越来越受到关注。为了解决这些问题，一些学者对摩擦损耗机理、摩擦材料 的性能进行了研究，而另外一些学者跳出定、转子问的摩擦传动这一接触型超声 波电机基本原理的限制，研究新原理、新结构的新型超声波电机，因此出现了定、 转子不直接接触的非接触型超声波电机 3 2 - 5 1j 。 日本山形大学y y a m a y o s h i 提出了圆板型非接触超声波电机，结构如图1 1 0 所示。定子采用p z t 压电陶瓷，其表面的叉指电极用来激励定子形成行波。转 予与定子之间留有一小问隙。转子由硬纸板制成，带有三个叶片。转子上方设有 反射板，用来提高电机转速。当电机输入电压为1 0 0 v ，驱动频率为3 0 k h z 时， 转速可达3 0 0 0 r m i n 。这种电机由于采用圆板结构而易于薄型化、小型化，目前， 已研制出直径为l m m 的圆板型电机。 天津大学博士学位论文 图l 一1 0 圆板型非接触超声波电机 图1 1 1 为日本东京工业大学t 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 m m ，外径6 1 8 m m ，并由 两个l a n g e v i n 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 m i n 。由于电机采用了l a n g e v i n 振子，电机结构较复杂，占有的 空间较大，而且形状不规则，因而限制了它的应用。 叛， 图1 - 1 l 采用l a n g e v i n 振子的超声波电机 图1 1 2 为日本山形大学s h i r o s e 等研制的圆筒型非接触超声波电机，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。定子筒外表面粘有p z t 压电陶瓷，采用两路信号来激励定子形成行波。电 机驱动频率为2 0 5 k h z ，最高转速可达9 5 0 r m i n 。这种电机结构简单，压电陶瓷 1 2 第一章绪论 在定子圆筒上均匀分布，对定子圆筒的激振比较均匀。 ( a ) 定子( b ) 转子 图1 1 2 圆筒型非接触超声波电机 日本东京工业大学s u e h a 研究了近场声悬浮现象，设计了直线声悬浮传输 系统，如图1 1 3 所示。定子为硬铝板，厚度为3 m m ，长为6 0 9 r a m ，宽为7 0 r a m ， 谐振频率为1 9 5 k h z ，为了在平板上激发出弹性行波，在乎板两端安装了两个 l a n g e v i n 振子，一个作为激励源，一个用作吸收器。当平板振幅为2 0 岬时，可 以驱动8 6 9 的物体以o 7 m s 的速度运动，同时他们研制的近场声悬浮超声波电 机，可以将l o k g 的物体放在转子圆盘上，通过声场驱动转子旋转。 图1 1 3 利用近声场悬浮的直线超声波电机 日本静冈大学a s a n o 等提出了基于表面波声流的液体媒质超声波电机，其 原理如图1 1 4 所示。其定子材料采用铌酸锂，在定子上淀积叉指电极，转子是 一个滑片或者钢球，叉指电极在定子上激发出声表面波时，滑片或者钢球将沿着 波传播的方向移动。实验结果表明，这种方法所得到的驱动力是普通基于摩擦驱 动超声波电机的5 6 倍，而且也能移动一些特殊形状、接触型超声波电机难以 运送的片状物体。 天津大学博士学位论文 图l - 1 4 声表面波非接触超声波电机原理 s u e h a 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。电机定子为筒形，由硬铝制成，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，由橡胶制成的转予浸在液体中，定子振 动在液体媒质中激发出声流，驱动转子旋转。 国内对于非接触型超声波电机的研究才刚刚开始，吉林大学、上海交通大学、 南京航空航天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。本文主要研究采用液体媒质的非 接触型超声波电机。 1 4 论文研究内容 超声波电机由于其独特的驱动机理和优良的特性，吸引了许多公司、高等院 校及其他科研机构投入大量的人力、物力对其进行研究，取得了很多有益的成果。 液体媒质超声波电机为克服接触型超声波电机摩擦磨损这一难题提出了崭新的 思路，通过对其深入研究，将会拓宽超声波电机的应用范围。 1 4 1 液体媒质超声波电机的主要问题 由于对液体媒质超声波电机的研究起步较晚，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： ( 1 ) 液体媒质超声波电机运行机理的研究。液体媒质超声波电机中存在电 场、机械振动、声场和流场等多种耦合关系，目前电机运行机理的研究主要采用 理论简化的方法分析声流场，对电机定子振动特性、声场传播方式、声流场的分 1 4 第一章绪论 布以及转子运动特性等问题还没有进行深入研究。 ( 2 ) 液体媒质超声波电机性能优化的研究。液体媒质超声波电机的运行特 性不仅与压电陶瓷材料性能、电机激励形式、驱动电路输出特性有关，还取决于 液体媒质的性质、液面高度和转子结构等，因此有必要全面研究电机性能与各种 因素的关系，寻找电机性能优化的方法。 ( 3 ) 液体媒质超声波电机控制系统的研究。需结合电机运行机理的研究， 研究液体媒质超声波电机控制特性，建立电机控制模型，解决其转速稳定性和准 确响应等问题，完善电机控制系统。 ( 4 ) 液体媒质超声波电机微型化的研究。超声波电机的重要特点是结构灵 活，形式多样。研究新结构、新激励方式下液体媒质超声波电机的运行性能，尤 其是结合m e m s 技术研制微电机，有助于扩展液体媒质超声波电机的应用范围， 提高实用化程度。 1 4 2 研究内容 论文的研究得到了国家自然科学基金( 5 0 2 0 7 0 0 6 ) 、教育部博士学科点专项 科研基金( 2 0 0 4 0 0 5 6 0 21 ) 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， 主要包括以下几个方面： ( 1 ) 液体媒质超声波电机定子振动特性的研究 有限元法被广泛地应用于接触型超声波电机振动分析中，为模态选择、优化、 结构设计、摩擦传递机理分析等方面提供依据。液体媒质超声波电机的研究起步 较晚，其运行机理不同于接触型超声波电机，本文针对液体媒质超声波电机特殊 的结构、能量传递方式采用有限元方法对定子振动进行分析，有助于进一步分析 电机运行机理、对电机结构进行优化设计。通过对定子振动进行仿真，获得了定 子的振动模态、谐振频率和接触面上