（电机与电器专业论文）行波型超声波电机的若干关键问题研究.pdf

浙江大学博士学位论文 子配合的行波型超声波电机结构；同时，为提高电机的输出力矩，提出了双定子 双转子结构形式的超声波电机。 提出了基于纳米改性的超声波电机摩擦材料配制方法一粘涂法，较好地解决 了摩擦材料在电机运行过程中的掉粉和发热严重等现象；利用有限元法对压电陶 瓷的粘结工艺进行了深入地分析，一方面进一步研究了不同激励条件下胶粘层对 超声波电机定子振动特性的影响；另一方面从提高胶粘层质量角度探讨了改善胶 粘层抗剪切能力的措旋，明确了电机定子的胶粘工艺和结构优化设计思想。 结合理论探索，并经反复制作和实验，研制了性能良好的直径8 0 1 l l m 、6 0 m m 、 4 5 m m 和3 0 m m 等系列行波型超声波电机样机，为完善行波型超声波电机的性能， 推进超声波电机在我国的实用化奠定初步基础。 关键词：行波型超声波电机、数学模型、能量等效、噪声机理、自激振动、温度 特性、结构分析设计、实验研究 本文得到国家自然科学基金( 6 0 5 7 5 0 5 9 ) 、国家8 6 3 项目( 2 0 0 3 a a 7 4 2 0 1 4 ) 、浙 江省重点科技计划项目( 2 0 0 4 c 2 1 9 1 7 ) 和浙江省教育厅重点项目( g 2 0 0 4 0 1 0 3 ) 等 基金的资助，在此表示感谢。 浙江大学博士学位论文 t w u s mw e r ep r e s e n l e da c c o r d i n gt ot h ee 冲e r i m e n t a l 托s u l t s t h es 衄l c t ed e s 咖m 劬o do f t h et w u s mw p r o p o s e d b 骶e do nf e ma n d 也es c a l ee 彘c t o fm ep e r f 0 珊锄c eo ft 1 1 et w u s m ；an e wt y p es 廿1 l c t i l r et w u s mt l l a tw a sc 咖p o s e do f 柚 o b l i q u e - s p l i n es t a t o ra i l dan e x i b l er o t o rw a sd e s i g n e d ，i no r d e rt oi n c r e a s et 1 1 eo u t p 咖n gt o r q u eo f 廿l et w u s m ，d o u b l es t a t o r sa n dd o u b l er o t 酏o r s 、v e r ep r o p o s e d t h ec r e a t i v er e s e a r c hw o r ko nt l l et w u s m 衔c t i o nm a t e r i a lw a sd o n eb a s e do nt h e m o d i f i e d n 锄0 m e t e r t e c h n 0 1 0 9 y a n dan e wc 咖叩o u n dm 劬o do ft 1 1 e衔c 畦o nm a t e r i a l ， v i s c o s 崎- c o a t i n gm e m o d ，w 船p u tf o r w a r dt oi m p r o v i n g 吐l es 仃e n g t ho ft h e 衔c t i o nm 咖r i a l 髓d d e c r e a s i n g 廿l eo u t p u th e a to f t i l et w u s m f 0 c l l s i l l go nt h eb o n d i i l go f m ep i e z o e l e c m cc e r a l l l i co f 廿l et w u s m ，也ee f r e c t so f t l l em a t e r i a lc h a f a c t e r i s t i c sa n dl l l et 1 1 i c k n e s so f t l l ea d h e s i v c1 a y e ro nt 1 1 e v i b r a t i n gp e r f b 瑚柚c e so ft h eg t a t o rw e r es t l l d i e db a s e do nt 1 1 e e l e c 昀m e c l l a i l i c a lc o u p l i i l gf i n i t e e 1 哪e n tm o d e lo f m es t a t o la n dt l l er e s i s t i l l s h e a r 鞠dv i b r a 血gp e 商圳n a n c e so f t l l ea d h e s i v el a y e r 砒d i 船r e l l te x c h - n gc 彻d 证o n sw e 化d e 印1 y 锄a l y z e d 1 1 l em c m o d so f i m p r o v i n gt i l eb o n d i n gq u a l 时 o f t l l ep i e z o e l e c 仃i cc 咖n i cw e 阳p r e s e n t e d s e r i e so f r r w u s mp r a 姒y p e si nd 血e 璐i 蚰o f g o m m ，6 0 1 m ，4 5 m m ，强d3 0 m m 甜ed e v e l o p e d s u c c e s s f i l l l yb 髂e do nt l l e 也e o r i e s 姐de x p e r i m e n 乜a l lt h er c s e a r c l l i n gr e s u l t sc 髓i m p r u v et h e p e m l 力n a n c e s 舭dp r 叩e lt l l ep 州i c a lp r o c e s so f t l l et w u s m i 1 1o l 】rc o 衄略 l 皿yw 咖s ：n 制e l i n g w a v e 邯eu l 廿砸o n i cm a t o r ( t w u s m ) ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，e i l e r g y e q u i v a l e m ，n o i s em e c h 勰i s m ， s e l “x c n i i l g “b r a c i o n ，t 锄p 锄蚰豫c h a m c t e r i s t i c s ，s 仇l c t i l r a l o 州m i z a t i o na n dd e s i 驴，e x p 耐m e n 协l 柏a 】y s i s + p r o j e c ts u p p o n e d b yn a t i o n a ln 咖r a ls c i e n c ef o u n d 撕o no fc h i n a ( 6 0 5 7 5 0 9 ) ，t h en 撕o n a l8 6 3 p r 0 乒枷m e ( 2 0 0 3 从7 4 2 0 1 4 ) ，t 1 1 ek e yt e c l l i l o l o g yp 蚵e c to f z h 哪i 锄gp r o v i n c e ( 2 0 0 4 c 2 1 9 1 7 ) 锄d t 1 1 ek e yp r o j e c to f t h ee d u c 蒯o ni i l s t i t u t eo f z h e j i a i l gp r o v m c e ( g 2 0 0 4 0 1 0 3 ) i v 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 内容提要：简述了超声波电机的基本原理及其研究意义，回顾了超声波电机的发展与研究状 况，介绍了超声波电机的分类、特点，重点论述了行波型超声波电机的研究概况及亟待解决的 若干问题，最后提出了本论文的主要研究内容。 1 1 超声波电机研究的重要意义 1 1 1 超声波电机的基本原理 超声波电机【1 卅( u l 饷s o i l i cm o t o r ，简称u s m ) 是一种利用超声波振动能进行 驱动的新原理电机，与传统电磁式电机不同的是u s m 没有磁极和绕组，不依靠电 磁相互作用来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转变为超声波 振动能( 机械振动频率 2 0 娃功，然后通过定、转子之间的接触和摩擦力，将交变 的振动变成为转子单方向的旋转或直线运动，实现机械振动能到转子动能的转换。 它是一种涉及压电学、材料学、力学、机械振动学、摩擦学、电力电子以及控制 理论等多学科交叉的机电一体化产品。 1 1 2 超声波电机研究的重要意义 随着科学技术的飞速发展，电子设备、精密仪器、光学系统以及航空航天等 设备日益微型化、精密化，这对微电机伺服控制系统的性能指标提出了越来越高 的要求，譬如，低速大力矩、快速精密定位以及电磁兼容等。而常用的伺服驱动 控制系统中主要采用的是传统伺服电机驱动，为了获得低速大力矩的特点，它必 须配有减速传递机构，从而增加了系统的复杂性和重量，这严重阻碍了控制系统 的快速性和精密性的提高。多年来，诸多学者和专家一直致力于研制一种更为适 宜的直接驱动方式，以满足各种装置小型化和精密化的要求。超声波电机的出现 为伺服机构提供了一条新思路，它不仅在思想上突破了传统的电磁感应原理( 利 用电磁耦合实现电能到机械能的转变) ，而且又以其优异的性能特点弥补了传统电 机的不足( 传统电机低速难以稳定运行，通常是高速运彳于后通过齿轮减速来获得 低速) 。 由于u s m 具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快速、运行无噪声等显著 特性，在工业控制、汽车专用电器、精密仪器仪表、微动平台、空间机器人和航 空航天领域有着广泛的应用前景，近年来倍受科技界和工业界的重视，并成为当 前机电一体化控制领域研究中的热点。 浙江大学博士学位论文 l - 2 超声波电机的发展简史与研究状况 1 2 1 超声波电机的发展简史 人们最初了解超声波电机的驱动原理是在2 0 世纪4 0 年代，由w i l l i 啪s 和 b r o w n 首先提出的【5 】，但是由于当时材料的缺乏、技术的落后，最初的u s m 模型 一直没有实现。 直到1 9 6 1 年，b u i o v aw a t c hc o l t d 【6 】首次利用弹性力对弹性体进行激振，由此 带动钟表齿轮，这种表走时准确，每月只有一分钟的误差，打破了当时记录，引 起轰动，并由此揭开了超声波电机研究的序幕。1 9 6 4 年，前苏联科学家 v v l a v i r e i l l 【o 阴利用压电陶瓷片制作了第一台旋转u s m ，并用等效电路分析了压 电陶瓷片的振动。1 9 7 0 1 9 7 2 年，由s i e m e n s 和m a t s u s h j t a 【8 】公司研制出具有实用 前景的超声波电机，由于压电材料工作在几十k h z 的驱动频率下，振幅太小，材 料不过关，不能得到大力矩，无法推广。1 9 7 3 年，i b m 公司的h v b a r t l l h 提出了 一种驻波型超声波电机，其力矩较大，转速较高，但寿命较低。1 9 7 8 年，前苏联 的v a s i l i e v 【7 1 成功地构造了一种能够驱动较大负载的超声波电机，其特点是采用两 个夹持压电元件结构的超声换能器原理，降低了共振频率，扩大了共振振幅，但 是由于在运转条件下，电机的磨损和发热严重，很难保持振动片的恒振幅，故也 未获得实际应用。 到了8 0 年代，超声波电机研究中心由前苏联转移到日本。1 9 8 0 年日本的指田 年生0 1 在v 如i l i e v 的研究基础上，提出了一种驻波型( s t a n d i n gw a v e ) 超声波马 达，该电机使用了l 趾g e v i n 振子，工作频率为2 7 8 妊i z ，输入功率为9 0 w ，输出 转矩为o 2 5 n m ，机械输出功率为5 0 w ，这个电机的性能第一个满足了实际使用要 求，但振动片与转予接触在同一位置，仍有因摩擦导致磨损问题，后为解决此问 题，1 9 8 2 年指田年生【9 1 0 1 又提出了行波型( t r a v e l i n gw a v e ) 超声波电机，实现了 由定点定期推动转予变换成多点连续不断地推动转子，大大地降低了定子与转子 接触界面上的摩擦和磨损，这为超声波电机走向实用化开辟了道路。1 9 8 7 年，指 田年生创建了新生工业公司，并将超声波电机推向商业化道路。同年，日本佳能 公司研制出第一台用相机自动变焦的环状超声波电机，在相机业界为之一振。此 后，许多超声波电机新产品不断地研发出来并走向应用【“1 ”。到了8 0 年代末期， 西方先进国家如美国、法国、德国、英国等都加入到超声波电机的研究队伍中， 并相继有相关超声波电机的报道出现1 1 4 4 ”。 从9 0 年代至今，超声波电机的研究倾向多元化，各种各样高性能的超声波电 机不断出现【1 6 _ 2 0 l ，超声波电机的建模与分析、驱动控制等成为研究的主要内容 【2 1 - 3 0 1 浙江大学博士学位论文 1 2 2 国内外超声波电机的研究状况 超声波电机是多学科交叉的产物，它的发展经历了为三个阶段，即超声波电 机概念阶段、具有实用前景的样机阶段和产业化生产及应用阶段。 目前，日本的u s m 研究技术处于世界领先地位，掌握着世界上大多数的u s m 技术和发明专利，在日本，有近2 0 所大学和研究所对超声波电机进行研究，主要 有东京工业大学、东京大学、山形大学、东京农工大学、东北工业大学、日本宇 宙研究所、爱知工业大学等，研究开发超声波电机的公司更多，如佳能、精工、松 下、新生、n e c 和本田等【2 8 3 2 l ：从去年开始，n i i ( o n 、a s u m o 、m i t s u b a 等多 家公司也采用了超声波电机用于各类相机镜头调焦驱动，说明这几年超声波电机 的用量得到了实质性的增长【3 3 1 ，如图l 一1 所示。图1 - 2 是日本超声波电机的主要应 用领域，主要集中在相机和轿车行业中，其他领域也有望广阔的应用前景。 图1 - 1 日本各公司超声波电机市场占有金额 图l 一2 超声波电机应用领域 由于日本在超声波电机及其控制领域获得了极大成功和较高的商业利润，美 国、德国、法国和英国等不甘落后，也正在投入大批的人力和物力开发超声波电 机，努力追赶日本，并在各自的研究领域取得了一定的研究成果。 我国于8 0 年代末开始u s m 的研究，起步虽晚，但发展迅速。1 9 8 6 1 9 9 0 年 间，四川压电与声光技术研究所的王大春i ”_ 3 5 】等人将日本有关超声波电机的研究 情况陆续介绍到国内，揭开了国内超声波电机研究的篇章。在近二十年时间里， 先后包括哈尔滨工程大学水声研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、 长春光机所、吉林工业大学、南京航空航天大学、北京科技大学、天津大学、上 海冶金研究所、华中理工大学、东南大学、电子工业部第2 1 所等十几个单位开展 了u s m 的研究，并获得了很多研究成果。 总结国内外u s m 的研究现状，主要有以下几个特点： 大力矩超声波电机 超声波电机的主要特点就是大力矩，如何实现电机大力矩的输出是超声波电 机研究的主要目标。目前，使用中最大力矩的超声波电机是a e g 公司的 a w m 9 0 0 1 1 ，力矩达到6 n m 【3 6 3 7 1 ，喷气推进实验室( j p l ) 联合m i t 等共同研制的 应用火星探测器操作臂关节驱动的超声波电机。1 9 9 6 年，美国麻省理工学院主动 材料和结构实验室( a c t i v em a t e r i a l sa n d 鼬u c t u r e sl a b ) 的h a g o o d n 等人为空间 塑望查兰竖主兰垡笙苎 应用而开发了具有双面齿结构的行波型超声波电机，该电机具有完全对称的结构， 粘贴压电陶瓷、双面带齿的弹性体为转子，采用外部机架固定，结构如图1 3 所示 蒯j 癸终捌毒j 嚣殛j 爨? 疹；颤? 瘀嚣澎 闲踟闲闲心帖淞球渊 。 。 。 图l - 3 双面齿行波型超声波电机原理 1 蚋* 【蚪” 图1 - 4 双转子行波型超声波电机的机械特性和工作特性图 【3 1 、 3 ”，这种结构由于要给转动部位的压电陶瓷通电，因此比传统的单面齿耦合 的行波型超声波电机复杂。双转子行波型超声波电机的机械特性和工作特性如图 1 - 4 所示，其力矩要比同直径的行波型超声波电机高2 倍以上，达到3 n m ，且运转 十分稳定，已用于美国航空航天局( n a s a ) 的火星着陆灵巧机机械臂j p lm a r s a r mi i ，其整个机械臂比同结构采用电刷直流电机的m a r sa r mi 减轻重量 4 0 。 文献【4 2 】提出了双定子单转子的夹心机构来增大电机的输出力矩；日本东京工 业大学精密与智能试验室在开发了4 0 n m 的纵扭复合型u s m 后，正在研制力矩可 达1 0 0 n m 的超声电机15 1 。日本神奈川大学的j i r o i n a m 等【8 8 】人发明一种带斜槽的机 械纵扭转换振子，并制作了样机，其结构如图1 5 所示。纵扭转换振子为圆筒形， 珐兰盎压电陶瓷席 蛆龈子举耕帽韩换概于 转于 硅簧 图1 5 带斜槽纵扭复合超声波电机 - d - 浙江大学博士学位论文 在其中部外圆周采用电火花加工出1 2 至1 8 条宽0 5 m m 、倾角为4 5 。的斜槽。该 机械转换振子安置在纵振动节点位置，压电振子激发的纵振动传播到转换振子斜 槽部位时，同时诱发出扭转振动，在纵扭转换振子与转子接触的端面上合成质点 的椭圆振动轨迹。直径1 5 m m 的超声波电机样机，在6 0 k h z 驱动频率下，获得最 大转速5 5 0 ( r m i n ) ，转矩o 3 n m ，最大效率2 0 。此后，j i r o m a m 又制作了相同 结构直径1 5 、4 0 、5 0 和6 0 m m 的超声波电机样机，驱动频率范围为5 6 2 3 k h z ， 获得o 3 、1 1 、1 7 和2 3 n m 转矩。1 9 9 3 年，藤原信绪等1 8 9 】研制成了转矩较大的纵 扭复合型超声波电机，其体积m 8 0 8 8 m m ，预压力8 0 k g n ，驱动频率为2 4 7 k h z ， 转矩达到1 9 6 n m 。而j l | l ls a t o n o b u 等【料】研制成功了直径达1 2 0 m m 、最大力矩达到 3 9 2 n m 的复合型超声波电机，其转矩一重量比是同等转矩的电磁型d c 电机的两 倍；后来，又研制成功了直径1 4 0 i n m ，力矩达9 9 n m 的超声波电机。 国内东南大学删研制了直径为1 0 0 m m 的均压行波超声波电机，最大力矩达 到了3 5 n m 。浙江大学【4 5 4 6 j 研制了具有中空结构的大力矩( 堵转力矩达到1 3n m ) 和高重复定位精度的纵扭复合型超声波电机，如图1 6 所示。华中科技大学【4 7 】研 制了一种r 型支撑结构的大扭矩行波型超声波电机并对转子尺寸和形状对输出功 率和输出转矩的影响作了深入的研究；为了增加电机输出力矩，还制作了双振子 双转子结构电机旧，如图1 7 所示。清华大学【4 司研制成功了外径为1 8 6 i i i l 的三梁 纵弯扭( l b t ) 耦合超声波电机，其工作频率达到9 0 7 k h z ，力矩达到1 0 0 9 f c m ，性能 优于同样尺寸的单梁扭转驻波型超声波电机。 图1 6 浙江大学研制的大力矩纵扭复 合型超声波电机 图l - 7 华中科技大学研制的大力矩电 机结构示意图 多自由度超声波电机 自从二十世纪5 0 年代，乌克兰学者【5 9 】就提出了球形电机实验模型和相关理论， 国内外研究多自由度电机一直持续至今，研究的主要是电磁型球电机，但进展不 大，主要原因是球电机外形结构与常规柱形电机有很大的区别。首先，许多常规 电磁电机设计理论和方法不适用于球电机。其次，球电机的电气结构比较复杂， 制造也比较困难，例如加工球面、在球面开槽、定转子之间的支撑结构以及绕组 的布线等。再其次，电磁型球电机的性能不好，转角范围较小，力矩重量比很小， 也难于实施位置和速度控制，这是由于球电机的电磁感应必须采用绕组形成球形 磁场，定转子结构十分复杂所致，电机的成本也十分昂贵。 e 浙江大学博士学位论文 而在9 0 年代中期始，多自由度球电机的研究出现了转机，日本的一些学者另 辟蹊径，分别提出了采用摩擦驱动的超声波电机实现球面运动的构想，如国立东 京农工大学的远山茂树教授【4 8 】、庆应大学前野隆司副教授【4 9 】、山形大学的青柳学 副教授【5 。】、东京工业大学的林严教授和川崎重工的佐佐江奇介酬等人，分别研制 了多自由度超声波球电机。由于多自由度超声波球电机具有低速大力矩、响应快、 精度高和可直接驱动等特点，具有电磁感应电机无法比拟的优点。近来已成功地 应用于腹腔手术、假肢上的肩腕和膝关节、二自由度的c c d ( 监视头) 云台驱动 和机器人的眼球驱动，如图1 8 、1 9 所示。 图1 - 8 用球面超声波电机书自由席钳子 图1 9 采用球面超声波电机人工假手 1 9 9 6 年，远山茂树【4 8 】f 5 3 - 5 4 】采用环状行波型定子研制了二自由度和三自由度的 球面超声波电机，其原理如图1 1 0 ( 和图1 1 1 所示，图1 1 0 能实现二个方向 的转动。由球形转子和行波定子等部件组成，行波定子的端面可做成内球面，这 样可以使定予和球形转子良好接触；另外，这种结构的电机对定子的轴线对中较 敏感，一般只有一个固定，其余的则采用可调整轴线位置的机构。其中结构( 口) 有两对垂直相交的行波型定子，两对定子的夹紧自然固定了转子；结构( 6 ) 有两 个垂直相交行波型定子，这时，转子的固定采用了球轴承支撑。从力学观点分析， 这两种结构的实质是一致的，其两个定子驱动力矩相互垂直，且每个轴线方向的 力通过一对定子或球轴承达到平衡，一般情况下，定子接触面的圆周上压紧力是 均匀一致的。图1 1 l 是实现空间3 自由度的球面电机原理图，日本的东京农工大 图1 1 0 二自由度超声波球电机结构形式 图1 1 1 三自由度超声波球电机原理 浙江大学博士学位论文 学的远山茂树教授利用该原理研制了应用c c d 云台的3 自由度球面电机，如图 1 1 2 所示。1 9 9 8 年，t a k a f i l h l ia m a l l o 【”1 等提出并研制了圆柱一球体三自由度超声 波电机的原理样机，如图1 1 3 所示，它采用兰杰文形式，利用单个柱体构成超声 波电机的定子，通过对定子振型的设计和压电片的极化与配置，使得定子表面质 点产生三自由度椭圆轨迹，从而实现球型转子的三自由度运动。该样机的最大输 出力矩为0 0 3 5 n m ，转速为1 0 0 r m i n 。 图1 1 2 采用球面超声波电机的c c d 云台 图1 - 1 3 柱状多自由度超声波电机 除日本研究此电机外，法国和美国也在近年来正在进行探索性的研究，国内对 此研究的主要有南京航空航天大学、东南大学、吉林大学和浙江大学等单位。东 南大学【5 2 】和南航研制成功了柱状摇头型多自由度超声波电机，如图1 1 4 所示。吉 林大学【5 6 _ 57 】的杨志刚和程光明等提出并研制了多自由度球形超声电机的原理性样 机，其工作原理是：利用压电陶瓷的逆效应使得电机定子上的齿( 与转子接触处) 图1 1 5 浙江大学研制的二自由度 球面超声波电机 图1 1 4 东南大学研制的柱体 三自由度超声电机 产生椭圆运动，通过摩擦接触驱动球形转子转动，由于产生的椭圆运动位于空间 的不同位置，从而电机得到多个自由度的运动。但没有这种电机性能方面的报道。 浙江大学【5 8 】利用两对直径3 0 m m 的行波型定子研制出了两自由度的球面超声波电 机，如图1 1 5 所示，目前，正在此基础上研制可实现三自由度的球面电机。 塑婆丕堂堕主堂垡堡塞 国内清华大学周铁英教授在微型超声波电机研究方面造诣较深，由她领导的课 题组先后研制成功了多种微超声波电机，其中，研制的5 m m 压电管微电机，用外 径5 m m ，内径4 m m ，长1 0 m m 的p z t _ 4 压电陶瓷管制作定子换能器【8 5 ，共振频率 6 7 k h z 左右，驱动电压4 0 v p p ，预压力6 5 9 f ，并可以通过改变定子端面的锥角， 可以提高电机的性能，在4 6 度的锥角性能最好，堵转力矩高达3 0 0 n m 以上，如 图1 2 1 清华大学研制的直径 5 m m 压电管微电机 ( 神3 m m( 6 ) i m m 图1 也2 清华大学研制的直径3 m m 和1 m m 压电柱微电机 图l - 2 1 所示。图1 2 2 ( n ) 是清华大学研制的压电柱微电机直径3 m m ，使用不锈钢定 子的微电机重o 7 6 9 ，最大输出力矩4 1 1 州m ，最高转速大于1 3 0 i p m ，谐振频率 6 l k h z 。使用铜定子的微电机重o 7 4 9 ，最大输出力矩3 5 7 n m ，最高转速大于 3 7 0 r p m ，谐振频率5 8 k h zm 6 】；最近，又研制成功了直径l m m 的微型电机，在驱 动电压v d - p = 3 5 0 v 时，转速到达1 8 0 0 掣 n ，堵转力矩达到4 un ，如图卜2 2 ( 功所 示。浙江大学【87 j 在2 0 0 4 和2 0 0 5 年先后研制成功了1 0 n n 行波型和l o m m 纵扭变 换型微步进超声波电机，电机性能指标达到国内领先，其中行波型1 0 m m 电机最 高转速达到1 0 0 0 r p m ，堵转力矩达到5 m n m ；1 0 m m 纵扭变换电机最高转速5 0 0 r p m ， 堵转力矩高到1 2 i n n m ，图1 2 3 和1 2 4 所示。 图1 - 2 3 浙江大学研制的 1 0 m m 行波型微超声波电机 图1 _ 2 4 浙江大学研制的1 0 i m 纵扭变换型微超声波电机 1 3 超声波电机的特点和分类 1 3 1 超声波电机的特点 超声波电机与传统的电磁型电机相比具有许多优点： l 、结构简单、紧凑、驱动力矩大，可以实现电机的微小化； - 1 0 - 浙江大学博士学位论文 2 、低速大力矩、无需齿轮减速装置，可以实现直接驱动，由此大大减小了由减速 机构所增加的质量、体积以及能量损耗。 3 、运动部件的惯性小，响应速度快； 4 、断电自锁，且能保持原有停止位景不变； 5 、速度和位置控制性能好； 6 、不产生磁场，也不受外界磁场的干扰； 7 、噪声小，运行平稳： 8 、可以在比较恶劣的环境下工作，如真空、低温环境； 9 、形状可以多样化；圆的、方的、空心的、杆状的、球状的等。 虽然超声波电机有诸多优点，但也存在很多缺点： 1 、需要高频、高压驱动电源； 1 、长期工作可靠性、稳定性差； 2 、由于摩擦驱动，发热严重，表面温升快： 3 、效率较低，且制造成本较高； 4 、不能连续运行，且电机寿命短。 1 3 2 超声波电机的分类 超声波电机作为一种新原理电机，在二十年的进程中得到了迅猛的发展，出 现了几十种不同原理和结构形式的超声波电机，对于这些新出现的电机结构，分 类标准比较模糊，命名也十分混乱。这里主要从运动形式、驱动方式、定转接触 状态等方面加以分类和归纳，如表1 1 所示。 表1 1 超声波电机的分类情况 超声波电机 按驱动方式 按定、转予力传递接触方式按运动方式 单一模态型 连续的局部面接触 行波型复合模态型 接触型 连续的点( 线) 接触直线运动型 模态转换型 断续的整个面接触 单一模态型 断续的点( 线) 接触 驻波型 复合模态型 非接触空气 旋转运动型 模态转换型 型 液体 1 4 行波型超声波电机的主要研究进展 行波型超声波电机是超声波电机中研究最早、最多的电机之一，在近二十年的 时间里发展十分迅速，在各方面都取得了不少成果，但是由于它是涉及多个学科， 特别是涉及了定子的高频振动( 微幅振动) 和定、转予问通过摩擦材料相互摩擦 实现能量的转换，至今，人们对其深层次运行机理( 微观摩擦行为) 因测量手段 - 1 l 一 浙江大学博士学位论文 建模过程中引入了很多假设，因此，很难得到比较精确的解析数学模型，特别是 由于定子建模中压电陶瓷机电耦合常数的不确定性和接触界面的简化而引入了很 大的误差。 c a ox i l “1 等人指出了行波型超声波电机的动态接触问题，并用粘弹基础模型 分析了定转子接触区域内的粘，滑行为，最后建立了包括电机结构参数以及摩擦材 料特性参数的速度- 力矩特性模型，但是模型中的边界条件( 如摩擦层的阻尼、刚 度) 等参数的识别较难，该模型同样忽略了转子的静态弯曲刚度，因此使得理论 计算得到的速度- 力矩特性不够准确，尤其是在外部轴向预压力增大的情况下误差 更大。p l e m o a l 【舛】利用接触力学的研究方法对电机定转子的接触问题进行了系 统的研究分析，建立了综合考虑转子静态弯曲刚度和接触机理的电机优化设计模 型，并开发了一套优化设计软件，但模型中忽略了定转子接触区的静态径向弯曲 刚度的影响，且只考虑了接触面内的滑移现象而为忽略了粘滞现象，这对大力矩 电机的影响较大。d o n gi l 叫等建立了电机的一维受迫振动解析模型，但是该模型忽 略了定子环的曲率效应以及摩擦层的粘一滑特性对定子振动特性的影响。文献 1 0 3 】 分析了行波型超声波电机的接 x 斯江大学博士学位论文 确定电机的结构和材料及预压力等参数值的大小，它可以通过设计程序自动地修 改方案并重复校准设计结果，直到最后得到符合要求的方案为止。典型综合设计 的代表是l em o a l 【l “，他提出了一种基于定转子接触、同时考虑磨损和机械性能 的三维分析优化设计方法，研究了周向接触比对机械能量传递和摩擦层的磨损， 并通过周向接触比的优化设计使得机械能量的传递达到最佳；同时，还论述了定 转子的径向弹性配合的重要性，通过优化定转子结构的径向弹性配合可以降低摩 擦层的磨损。虽然该方法能够到电机的优化结构和材料参数，但是，它没有涉及 定子的优化设计，特别是没有考虑到摩擦层的粘一弹特性、转子的动态特性以及 定转子接触面间的轴向和切向机械特性的影响。同时，由于设计中采用柔性转子 使得定转子间的接触面积增大，理论上讲电机的输出特性( 如力矩、速度等) 是 增加的，但是实验证明电机的力矩速度特性并没有随摩擦接触面的增大而增加。 因此，利用该方法对电机转子的优化设计还有待于改进。文献【9 6 】提出了基于尺寸 比例效应的行波型超声波电机综合优化设计方法，该方法从工程实现和理论分析， 分别对电机定子、转子以及定转子接触界面的预压力进行了优化设计。但是该方 法没有考虑压电陶瓷、摩擦材料的选择、结构加工以及转子的切向弯曲变形等因 素的影响，因此设计结果与实验存在误差。 逆问题设计是预先估计好电机的若干设计参数( 如结构尺寸、材料性能、外部 条件等) ，然后按照基于模型的设计程序来确定电机运行性能的计算值，如果不符 合要求，再调整部分设计参数后重新计算，再校正电机性能参数，直到满足要求 为止。逆问题设计方法主要包括等效电路法、解析模型法和有限元模型法，如1 4 1 节所述。文献【l ”】利用等效电路方法对电机定子进行建模，针对定转子接触作用采 用了二维接触假设，能够进行恒定作用力运行下的性能参数估计，不足的是，在 设计过程中所有参数的确定都需要对实体的导纳特性、振动特性进行测量来获得。 文献【1 0 0 】应用瑞利一里兹假设模态和能量方法建立超声波电机的三维模型，在给 定结构尺寸和材料特性后，能够根据电机的负载特性、预压力以及驱动电压等估 计相应的性能参数，如速度、功率和效率等。但是，由于该模型没有考虑压电材 料常数的变化而引入较大的误差。j l p o n s 【1 2 8 等人利用层合板理论将超声波电机定 子划分成三个子区域，通过里兹能量法和麦克斯韦假设法建立了电机定子的优化 设计模型，基于该模型分别以机电耦合系数、能量传递系数和输出功率为目标函 数对电机的性能参数进行了优化计算，得到了较理想的设计结果，但是，该方法 忽略了转子的静态弯曲刚度。m a t t e o 等人i l2 9 】利用二维等效电路模型对超声波电机 的力矩、速度、输出功利以及定转子间的摩擦损耗进行的估计，并利用这些估计 值对电机性能参数进行了优化设计，但是，整个优化过程中均假定电机预压力是 恒定不变的，且该优化设计只涉及到了电机静态特性，对于动态情况下的电机性 能参数的优化没法解决。通常，对超声波电机的分析设计主要采用有限元方法， 并辅以a n s y s 或n a s 认n 等大型专用分析软件来完成的，有限元法能够模拟 实际定子的振动情况和接触情况，适用于各种不同结构和形状的马达，便于实现 1 6 塑垩查兰竖主堂竺堕壅 制优点在于能跟踪不预期的轨迹，但精度差。p i 控制策略虽然简单易于实现，但 难于满足超声波电机的高性能要求，而可变增益的p i 控制策略要预先根据电机的 负载变化来确定比例、积分增益，这在实际中也难以实现。自适应控制需要在控 制系统中设置一个参考模型，要求模型在运动过程中的动态响应与参考模型的动 态响应相一致，但至今还没有一个比较精确的超声波电机模型数学模型，因此要 设置这样一个参考模型使得控制效果比较理想是不太可能的。模糊控制策略中的 模糊推理需要一个通过大量实验获得的先验知识库，而它受人为因素影响大。模 糊神经网络控制策略和模糊控制策略同样需要通过大量实验数据建立的知识库， 但是，它又具有神经网络的灵活性，适用于复杂的强非线性动态系统的控制。 超声波电机定点定角度控制主要是基于其动态特性快和步进驱动特性的特 点，文献【1 5 7 】采用步进驱动的原理对行波型超声波电机进行了定位控制，实现了步 距0 1 s ，一周内的误差小于0 1 5 度的精确定位控制。文献【1 5 8 l 利用高分辨率的光电 编码器对纵扭复合型超声波电机的定位控制，定位精度达到o 0 0 2 5 度。由此可见， 利用步进驱动的特性对超声波电机进行精密定位关键是提高编码器的分辨率。 1 5 行波型超声波电机的关键问题 目前，从行波型超声波电机的研究发展和应用趋势来看，始终围绕着大力矩、 高精度化( 高控制性能) 以及高稳定性和可靠性等实用方向。行波型超声波电机 由于具有低速大力矩、运行平稳等特点，一度成为实用化的首选电机。经过近十 年的努力，国内外已基本掌握这类电机的基本原理、简单数学模型、定转子设计 和驱动控制等，并将它应用于照相机、机器人等领域，但要提高其性能使之在大 范围内走向应用还存在很大的障碍，真正要实用必须在以下几个方面有所突破： 1 5 1 行波型超声波电机非线性动力学建模型问题 从目前的研究现状来看，国内外还没有针对超声波电机建立能准确评估其性 能的精确动力学模型，这主要是存在的问题非常复杂，涉及到超声波电机压电材 料和弹性复合薄板的压电振动、转子与定子的非线性接触、超声频域摩擦驱动特 性等。我们认为，完整的超声电机动力学模 x 浙江大学博士学位论文 行波型超声波电机建模的难点主要集中在定、转子接触面的摩擦驱动机理， 特别是超声微幅振动状态下的摩擦驱动机理。超声共振摩擦驱动机理是当前超声 波电机非线性动力学研究的一个重要方面，尽管已经提出了若干摩擦驱动模型， 但由于在超声微幅共振状态下的特殊性，这些模型还不能准确反映真实的驱动特 性。因此，有必要深入研究超声微幅共振状态下的微观摩擦驱动机理。 1 5 2 行波型超声波电机的设计与制作工艺问题 目前，超声波电机的设计没有形成统一的设计理论，主要依靠经验，通过样 机研制进行性能实验验证，并根据实验结果来调整确定电机的结构尺寸和材料参 数，这耗费了大量的研究开发时间，无疑也阻碍了超声波电机的实用化。 由于超声波电机是一种高精度的产品，其加工和制作工艺水平要求非常严格。 加工和制作工艺水平对电机性能的影响很大，同一型号同一批次加工制作的电机， 由于加工误差以及粘结过程中的加压控制不一致的话，将会导致电机个体性能差 别很大。特别是压电陶瓷与定子金属体之间的粘结问题，可以说是电机制造过程 中的关键技术，它关系到电机的最大输出功率、效率和疲劳寿命。通常要求压电 陶瓷与定子弹性体间有良好的电接触、粘结层机械阻尼损耗低、动静态剪切强度 高、防腐蚀等，当定子结构或粘结工艺不合理时，容易导致胶层内部夹有气泡和 电机边缘出现应力集中现象，在高频简谐激振下，容易发生脱胶并有放电现象， 最终使得电机报废。最佳的粘结方法往往作为商业秘密，由于受自动化生产的限 制，目前，超声波电机的粘结还主要由人工操作完成的，压电陶瓷的粘结压力主 要是凭手感和经验来控制的，因此，胶层厚度难以控制在理想范围内，从而影响 电机的性能和实用化进程。 行波型超声波电机的结构和驱动原理决定了电机定转子接触面之间必须采用 摩擦材料层，它也是决定电机性能的关键因素。研究超声波电机摩擦材料的文献 很少，至今尚无一种能够真正满足超声波电机要求的摩擦材料。摩擦系数较大的 材料，使用时往往会有粉末出现，影响定转子间的摩擦驱动，甚至使电机发热厉 害，严重影响电机性能和使用寿命；摩擦系数小的材料，有会影响电机性能的输 出。因此，研究配置一种摩擦系数适中、硬度合理、耐磨且长时问摩擦不掉颗粒 的材料是超声波电机研究的一个重要课题，也是推进超声波电机实用化的关键。 同时，摩擦材料的好坏与电机寿命息息相关，研究电机寿命问题也十分重 缁脑肷侍 行波型超声波电机由于受结构、加工水平、材料以及装配工艺等影响，在运 行过程中有时会产生较大的尖啸噪声，别是电机处于谐振状态下工作时，如果驱 动电源匹配以及预压力不合理的话，电机噪声更大，有的将近达到1 0 0 d b ( a ) ；再 有，因环境温度的 塑坚查兰堕主堂垒堡兰 电机的推广使用，为了降低或消除这种噪声，必须研究其产生机理。 文献【i ”j 指出超声波电机制造难、价格高，难以实用化的主要原因之一就是电 机的尖啸噪声，其中，最难解决的噪声是电机自身产生的5 1 5 k h z 的振动频率，并 指出当噪声超过某个值时将会使得驱动控制失效。文献1 1 6 伽研究了弯曲振动模式压 电超声波电机的转子摩擦材料、转子与定子之间的压力、工作频率、电路匹配等 因素对电机运转噪声和性能的影响。但是他们都只是通过实验定性解释的，并没 有从理论上阐述电机噪声产生的机理，也没有提出相应的降噪措施。 因此，从理论角度研究分析行波型超声波电机的噪声产生机理，为改进电机 结构提高其性能和实用性具有重要的研究意义。 1 5 4 行波型超声波电机的发热问题 超声波电机的致命弱点就是摩擦发热严重，导致电机温升厉害，从而影响其性 能的稳定性和可靠性，甚至使用寿命和使用范围。行波型超声波电机也不例外， 同样发热严重，有些电机连续运行不到1 0 分钟，其表面烫手。温度对电机的影响 主要表现在： 1 、谐振频率的影响：超声波电机谐振频率对温度是非常敏感的，随着温度的 升高，谐振频率逐渐减小，并且在谐振频率附近，谐振频率的微小变化都会使得 电机的速度产生明显的变化： 2 、摩擦接触面的影响：温度的升高会使得电机本体结构产生热变形，导致电 机定转子间的接触状态( 如接触区域大小、接触面平整程度等) 以及转子预压力 发生很大的变化，最终影响电机的性能和使用寿命； 3 、胶粘层特性的影响：温度升高可能会使压电陶瓷与定子基体之间的胶粘层 发生老化，降低其粘结强度，导致压电陶瓷的脱落； 4 、摩擦材料特性的影响：超声波电机摩擦材料的要求之一就是热稳定性能好， 其性能对温度不敏感。特别是动态摩擦系数要稳定，如果动态摩擦系数随温度而 发生变化，不仅会影响电机的输出特性，还会使电机产生噪声，关于这点有关文 献已得到证实。 5 、压电陶瓷性能的影响：随着温度的变化，压电陶瓷的各项性能，尤其是谐 振频率将发生变化，有时这种变化相当显著，甚至使得压电陶瓷器件不能正常工 作。 迄今为止，对超声波电机的研究理论都是假定电机处于恒温状态，即其材料、 结构等参数不随温度发生变化的，针对电机温度特性的研究一直很少，仅有的工 作也只是从实验的角度来做定性分析，这使得超声波电机的理论结果与其实际结 果有一定的差异，不能很好地应用于指导生产实践。 因此，研究分析超声波电机温度特性对电机的影响，减轻电机的摩擦发热，对 超声波电机的优化设计、驱动控制策略的设计、提高电机寿命等都有重要的研究 意义。 2 1 浙江大学博士学位论文 1 5 5 行波型超声波电机的驱动与控制问题 行波型超声波电机的驱动与控制水平直接决定了电机的应用，随着电子技术和 测控技术的发展，驱动电路和测控系统的设计手段也更加丰富。因此，根据行波 型超声波电机自身的特点和要求，设计出高性能( 特别是小型化、集成化) 的驱 动电路和测控系统是今后超声波电机的一个研究重点。 1 6 论文研究的主要内容 本论文以系歹0 行波型超声波电机( 直径分别为3 0 m m 、4 5 m m 双转子、6 0 m m 、 8 0 m m ) 为对象，在以下几个方面进行了深入而系统地研究： ( 1 ) 结合压电复合体的机电耦合特性和定转子耦合，建立能够全面而准确的反 映行波型超声波电机性能的数学模型，满足电机的正、逆问题，既能实现对电机 特性的计算，反映电机定转子参数对电机性能的影响，又能指导电机的结构和参 数设计。 ( 2 ) 探索一种新的行波型超声波电机分析设计方法和摩擦材料制作工艺；分析 不同激励条件下胶粘层对电机定子振动特性的影响，寻求一种可靠的粘结方法，解 决电机压电陶瓷与定子之间的粘结难题。 (