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编号 无锡太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 旋转行波超声电机结构设计 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923206 学生姓名： 董 骋 指导教师： 宋广雷 （职称： 副教授 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日 无锡太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 旋转行波超声电机结构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 94 学 号： 0923206 作者 姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、题目 旋转行波超声电机的结构设计 2、专题 超声电机的结构设计 二、课题来源及选题依据 传统的电机如电磁电机或者 直流电机在使用中往往受到很多方面的限制，在某些特定的环境下如真空中，或者不可有磁场影响的环境下往往无法发挥良好的性能。为此，一种新型的电机的设计对于人们的各行各业的使用开始至关重要。 超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，依靠定子和转子的摩擦耦合从而获得能量。超声电机具有结构简单，体积小，耐高温等特点，这些特点让超声电机可以在航空航天，汽车，磁悬浮列车等方面能发挥无可取代的作用。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 熟悉超声电机的历史及发展历程，对超声电机的适用领域及特点性能有全面 的了解； 充分解析超声电机的工作原理以及各部件的作用； 掌握 限元分析软件对超声电机的可行性进行分析，确超声电机的可行性； 对超声电机的可行性进行分析，得到超声电机的可行性理论值，与 析得到的结果进行对比，确定超声电机的可行性模态； 对超声电机的各部件尺寸进行设计，并且绘制出各零件的零件图以及装配图； 四、接受任务学生： 机械 94 班 姓名 董 骋 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 7 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 7 日 要 摘要： 超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激励弹性体产生谐振作用，把电能转换成微米级振幅的振动，再依靠定子和转子之间产生的摩擦耦合将这细微振动扩大为转子及与之相联的轴的旋转运动。与传统电磁电机相比，具有质量小、结构简单、高效率、低噪音、低速大转矩和可以直接驱动负载等特点。在航空航天、精密仪器、生物医学与许多重要领域等具有广阔的应用前景。 适应于工程上对超声电机的需要，本文设计了一种旋转型行波超声电机，主要完成了 以下工作： 1. 总结分析了国内超声电机技术的现状、发展及所存在的问题； 2. 阐释了旋转行波超声电机的运动机理； 3. 利用 件建立了超声电机定子的数学模型，利用模型对定子的工作模态进行分析并计算，确定超声电机的定子的工作模态； 4. 完成了直径超声电机的装配图和零件图的设计 ; 关键词：超声电机；模态分析；设计 it of by to To to it of of on at at to in a of to of In a 1. of of 2. To of 3. of a of of to a of 4. a of V 目录 摘 要 . . 录 . V 1 绪论 . 1 声电机的定义 . 1 声电机的特点 . 1 声电机的发展历史 . 2 声电机的应用及发展前景 . 4 次课题的研究方向及安排 . 4 2 旋转行波超声电机的工作原理 . 5 言 . 5 转行波超声电机的机械结构 . 5 声电机的工作原理 . 5 电陶瓷的工作原理 . 6 子行波的产生 . 7 子表面质点运动分析 . 9 章小结 . 11 3 定子模态分析计算 . 12 言 . 12 有频率的理论计算 . 12 振频率计算 . 12 振振幅的计算 . 14 子建模分析 . 15 . 15 . 16 子分析 . 18 章小结 . 20 4 结构设计 . 22 言 . 22 计流程 . 22 子机构设计 . 23 子内外径设计 . 24 态阶数选择和振动模态设计 . 24 子厚度 . 25 动齿设计 . 25 支撑板设计 . 25 子设计 . 25 . 27 计结果 . 27 机设计结果装配结构 . 28 章小结 . 30 5 结论与展望 . 31 文主要内容 . 31 作展望 . 31 得体会 . 31 致 谢 . 32 参考文献 . 33 旋转行波超声电机结构设计 1 1 绪论 声电机的定义 超声电机又叫做超声马达。超声电机利用压电材料的逆压电效应。实现电能对机械能的转化。相对于传统电机不同，超声电机是利用超声波频率范围内的机械震动作为驱动源的驱动器。超声电机 的英文名为 称为 声电机的特点 超声电机是一种新型的电机，它与传统意义上的电机无论是在使用上还是原理上都有很大的不同。超声电机具有以下几个特点 超声电机的能量转换方式不同于传统电机。传统的电机，如异步电机等是通过电场的相互作用酱电能转换成机械能，电机的定子和转子并不直接接触，定转子间是有间隙的。通过电源供电产生电能，经过定子和转子上的线圈产生磁场，磁场力作用于转子，产生机械能。可以看出传统电机的机械能主要靠电磁感应作用由电能转化而来。而超声电机不同于传统 电机，超声电机的定子和转子是靠摩擦耦合将动力转换成转子或滑块运动，定子和转子是需要直接接触。因为超声电机不靠电磁感应原理来实现能量转换，所以超声电机不需要刺激和绕组。超声电机利用逆压电效应，在定子上粘贴上压电陶瓷元件，同时对压电陶瓷原件上施加交变电压，使定子产生高频机械振动，振动产生的定子和转子间的摩擦力使转子做定向的回转或直线运动。所以超声电机存在两种能量转换 超声电机具有转速低转矩大的特点。图 图 别为电 磁电机和超声电机的转矩 /效率 图可见，超声电机在小转矩，大转速的情况下效率高。而在低速大转矩的情况下效率则比较低下。 图 超声电机具有体积较小，重量轻。超声电机依靠定子和转子的摩擦耦合获得机械能，不需要线圈和磁铁，因此相较于普通电机超声电机在相同转矩情况下拥有较小的体积和更轻的重量。 无电磁干扰和电磁噪声，电磁兼容性好。因为超声电机没有磁极，所以不收外界电无锡太湖学院学 士学位论文 2 磁的影响，自身也没有电磁感应的影响。因此超声电机适合在强磁场的环境下工作。 1）超声电机具 有耐低温的特性，适合在真空的环境下运行，如在太空中。超声电机的定转子具有直接物理接触。当断电后，在静摩擦力的作用下仍能保持很大力矩。 2)结构简单，设计形式自由度大，可以根据需要改动电机的设计 虽然超声电机在半个世纪来的发展下已经具有很有传统电机不具有的很多 1）优良的疼，但是一些不足之处仍然存在 3）超声电机使用寿命短 4）成本高昂 在高温环境下或者在长时间工作使超声电机自身温度上升之后，压电陶瓷在高温下物理特性会发生变化，影响电机的参数，导致电机性能的变化。 综上所述，超声电机在有些地方还是有许多不足的地 方，但是，不可否认的是超声电机具有它独有的优越性能。而随着科技的发展，超声电机的部分缺点也在慢慢的被克服。因此在本次的设计中，应该做到取长补短，尽可能的把超声电机的优点发挥到最大，同时把超声电机缺点影响 降至最小。 声电机的发展历史 超声电机的制作设计到许多领域的科学成果，包括机械，声学，摩擦，振动，等很多方面的学科及领域 。超声电机的出现以及发展取决于很多方面的突破，如压电陶瓷材料的发现及改进。大致来说，超声电机的发展可以分为三个阶段，即超声电机概念阶段、具有实用前景的样机阶段和产业化生产及应用阶段 。 1880 年，居里夫妇发现压电效应，但是受当时的科学水平所限，对于压电效应的应用仅仅处于一个很狭小的领域，只局限于水声和电声器件。 20 世纪 40 年代初，美苏科学家同时发现了 瓷的铁电性，这对压电陶瓷的发展产生。 重要的意义。 1942 年，美国学者 请了第一个超声电机的模型专利。如图为第一个超声电机的模型，四片压电陶瓷分为两组粘贴在截面为正方形的长条弹性体的两个侧面上，对其施加两相相位差为 90的交变电压激励，能够在长条弹性体中激励起两个方面和频率相同的弯曲震动，从而 在弹性体端部质点做椭圆摇摆运动，此椭圆摇摆运动就可以驱动压在其上的转子或者移动体。此模型类似于如今的杆式超声电机。但是因为当时的技术水平已经材料方面的问题所制约，这个模型最终没能变成一个真正的样机。 旋转行波超声电机结构设计 3 图 早的超声电机设想模型 在此之后，压电陶瓷的技术革新在不断的进行。 1942 年 现在 瓷上施加直流偏压，该陶瓷会呈现强的压电效应。 1954 年贾非等发现 良好的压电节点性能。这些压电材料的丰富和进步，以及科技水平的发展，超声电机的 研究在这样的环境下得到了很快的进步和提升。 1961 年，日本 表公司研制出一种新型钟表，该钟表利用音叉的往复位移拨动棘轮而获得驱动。该钟表的精确度相当高，仅有 1月误差。这种领先于当时科技水平的钟表，造就了超声电机的样机雏形。 1963 年，苏联科学家设计出了一台利用轴向弯曲耦合振动的振动片型超声电机，并且由此总结解释出了超声电机的工作原理。 1972 年前后，德国西门子和日本松下两家公司研究出了利用电谐振工作的直线驱动机械，这种机械拥有高达输完赫兹的振频，但是却因为振幅过小，无法发挥较大的实用价值 。 1987 年，前苏联科学家研究出一种能驱动较大负载的超声电机。这种电机是利用振动片的纵向振动和弯曲振动，再通过摩擦耦合，把机械能传递给转子。 1980 年，日本科学家指田年生在苏联科学家的研究基础上，成功制造出一种驻波型超声电机。这种电机的工作频率为 压 300V，输入功率 90W，输出功率 50W，转速 2000r/械效率为 55%。这是世界上第一台能应用于实际中的超声电机。但是这部电机在使用过程中磨损十分严重，严重影响电机的使用寿命。 1982 年，指田年生发明了行波型超声电机，该电机此电机实 现了断续点接触变换成多点连续不间断接触推动转子运动，大大的降低了电机的磨损，延长了电机的寿命。 1985 年，指田年生在美国申请了其专利，并且阐述分析了其工作原理以及超声电机的结构。 1987 年，松下公司在指田年生的设计基础上对超声电机的定子做出了改进。扩大的定子的振幅，大大的提高了超声电机的效率。在此之后，世界各国也发现了超声电机的研究价值，如美国，英国，土耳其等国家也相继开始加入了对超声电机的研究。时至今日，超声电机的研究仍在继续。 我国对于超声电机的研究开始于上世纪 90 年代，相较于其他一些发达国家起步较晚，所以对于超声电机的研究与其他国家仍然具有一定的差距，所以，我国需要在超声电机方面获得更大的成就，需要与其他国家相互学习印证，完善我国在超声电机领域的知识，争取缩小与其他国家的差距。 无锡太湖学院学 士学位论文 4 声电机的应用及发展前景 由上所述的超声电机所具有的的有点，自超声电机被研究问世以来始终在不同的进步和发展。目前超声电机已经被广泛运用于很多方面，超声电机体积小重量轻，无磁场干扰等优点在航天航空，计算机，汽车，精密仪器等方面取得了良好的应用。如航空航天的应用，因为超声电机具有真空工作的良好性能，并且适合于精密仪器， 所以美国早在太空机器人的微型仪器机械臂和微型桅杆式机械臂上等部位应用了超声电机。在我们生活中，如医院，影院等地方对噪声要求低，所以窗帘的驱动元件往往应用了超声电机。由此可见，超声电机应用于生活中各个方面。 超声电机的发展前景一样十分广阔，在我国，超声电机在未来同样可以应用在很多方面 1） 航空航天领域。我国在航空航天领域一向走在世界的前端。载人航天技术也仅次于美国与俄罗斯位列世界第三。在未来的航空航天领域中，超声电机相对于传统电机体积小重量轻以及真空环境下的良好性能将会作为航天领域电机的主要选择。对于 减少飞船的质量，增加可控性等方面都能有良好的改善 2） 车辆上的应用。在未来的车辆发展中，一些大型的或豪华的汽车中往往会需要多达数十个电机，此时减少电机的体积和质量将变得十分必要。超声电机具有这方面的优势。所以，未来的汽车行业，超声电机在这方面的应用将会大有作为 3） 磁悬浮列车的应用。磁悬浮列车上具有很强的磁场，传统电机在强磁场干扰下极易失效，这时超声电机的优越性能将完全取代传统的电磁电机。 由于超声电机良好的性能，他没有电磁绕组和此路，抛弃了传统电机的电磁感应产生能量，改用压电陶瓷的逆压电效应，使得其具有精度高，体 积小，不受磁场影响等特点。这给了超声电机的发展一个良好的基础，过去的短短 30 年间，从超声电机开始工程实用化以来，超声电机已经在很多方面发挥着其作用，而未来的研究发展中，解决了超声电机目前所存在的缺点后，超声电机将有可能取代部分电磁电机。因此深入研究超声电机不仅具有重要的理论价值，同样具有重要的实际意义。 次课题的研究方向及安排 本次课题需要对超声电机的结构进行设计。首先需要对超声电机起源以及目前的现状和发展前景进行展望。其次将对超声电机的工作原理进行详细的分析模拟计算。接着将对超声电机的 原理和特点，利用解析法以及有限元分析法，对超声电机的振动模态进行分析，提高设计出的超声电机的可靠性。最后将对超声电机的各部件尺寸及材料进行设计，以保证能完整的设计和生产出超声电机。 旋转行波超声电机结构设计 5 2 旋转行波超声电机的工作原理 言 行波超声电机依靠定子产生的行波。并且靠定转子之间的摩擦得到力矩，使转子得到驱动力产生运动。超声电机是一种不同于传统电机的一种新型电机。因此需要对此电机进行详尽的分析以确保设计的电机能有最好的性能。本章将对超声电机的工作原理进行分析，为后续电机的设计做铺垫。 转行波超声电机的 机械结构 图 图 示为旋转行波超声电机的内部结构展开图。由图可以看出，定子是由定子弹性体，内圈以及压电陶瓷片三部分组成。压电陶瓷片依靠粘贴层粘贴在定子外圈上。而超声电机主要靠定子弹性体产生行波，所以定子是超声电机的主要部件。定子的设计也将是电机设计的重点。其次设计转子，转子需要和定子直接产生物理接触从而产生摩擦力驱动转子运动，所以定子在设计有驱动齿的同时转子表面需要涂覆一层摩擦材料作为摩擦层。定子和转子的设计使本文的主要设计内容。另外还有一些其他的部件如蝶簧，轴承以及防止定子的底座和壳体。 这些部件都有其特殊的功能。这额部件的合理设计才能使得超声电机正常完美的运转。该电机具有体积小结构简单，扭矩与体积比值大，输出力矩和转速大的特点。 声电机的工作原理 旋转行波超声电机是目前使用最广泛的一种超声电机。旋转行波超声电机依靠定子振动产生行波，从而带动转子旋转。如图所示，定子断面粘贴有 A、 B 两组压电陶瓷片。当压电陶瓷片产生逆压电效应后，定子上会产生两个时间和空间上相差 90 的同频率，等幅值的驻波弯曲振动，这两个驻波在定子内部产生线性叠加，形成弯曲行波。产生的行波会使定子表面指点做椭圆运动。 定子与转子间的摩擦耦合使得定子表面的椭圆运动带动转子做旋转运动。 无锡太湖学院学 士学位论文 6 因此，超声电机的工作过程大致分为两大部分： 定子和转子设计为圆板结构时，这种超声电机则为旋转行波超声电机，如图 示。 图 2电陶瓷的工作原理 压电陶瓷是超声电机的核心材料，是超声电机能量转换的关键部件。定子表面质点的椭圆运动来源于压电陶瓷的逆压电效应激励。压电陶瓷是超声电机能量转换的桥梁。所以对压电陶瓷的了解是设计超声电机必不可少的一部 分，对于设计好超声电机，提高电机性能有着巨大的作用 1880 年，居里夫妇发现了压电效应，于是越来越多的人开始研究将压电效应应用于工程。在 20 世纪 40 年代开始，人们开始发现各种具有良好的压电性能的材料，并有效地将至运用于工程之中。 (a) 极化前的电畴取向 (b) 极化后的电畴取向 图 电陶瓷中的电偶极子 压 电 陶 瓷 本 身 是 一 种 铁 电 体 ， 在 没 有 经 过 极 化 之 前不 具 有 压 电 性 。 在 微 观 上 ， 压 电 陶 瓷 可 以 当 成 是 许 多 无 规 则 取 向 的 铁 电 晶 体 构 成 的 , 如 图 2 a ) 所 示 。 这 种 无 规 则 的 取 向 和 微 晶 中 的 “ 电 畴 ” 结 构 ， 使 得 烧 结 后 的 陶 瓷 体 在 宏 观 上 为 各 向 同 性 的 、 不 呈 现 压 电 性 。 为 了 让 其 具 有 压 电 性 ， 就 需 要 对 其 进 行 极 化 ， 即 需 在 压 电 陶 瓷 片 上 施 加 很 高 的 直 流 极 化 电 场 ， 如 旋转行波超声电机结构设计 7 图 2 b ) 所 示 ， 使 铁 电 体 中 的 “ 电 畴 ” 的 取 向 尽 可 能 具 有 一 致 性 ， 而 撤 除 该 电 场 后 ， 由 于 铁 电 晶 体 具 有 类 似 磁 滞 的 “ 电 滞 回 线 ” 特 性 ， 从 而 会 使 压 电 陶 瓷 中 仍 能 保 留 一 定 的 剩 余 电 场 。 当 在 此 剩 余 电 场 上 叠 加 一 小 的 交 流 电 场 时 ， 由 于 交 流 电 场 相 对 很 小 ， 其 作 用 一 般 不 足 以 使 “ 电 畴 ” 转 向 ， 但 可 以 引 起 电 畴 边 界 的 移 动 ， 使 与 电 场 同 向 的 电 畴 体 积 增 大 ， 与 电 场 反 向 的 电 畴 的 体 积 减 小 ， 这 样 ， 经 过 极 化 的 压 电 陶 瓷 便 具 有 了 较 典 型 的 压 电 性 。 可 见 ， 经 极 化 处 理 后 的 压 电 陶 瓷 可 当 作 压 电 晶 体 使 用 ， 而 且 其 压 电 性 会 表 现 得 更 明 显 。 当 把 交 变 电 场 以 特 定 方 式 施 加 到 压 电 陶 瓷 片 上 以 后 , 通 过 逆 压 电 效 应 可 激 发 出 压 电 陶 瓷 的 振 动 模 式 ， 这 时 压 电 陶 瓷 就 成 为 了 一 个 压 电 振 子 。 压 电 振 子 典 型 振 动 模 式 主 要 有 ： 垂 直 于 电 场 方 向 的 长 度 伸 缩 振 动 （ 简 称 L E ） 、 平 行 于 电 场 方 向 的 厚 度 伸 缩 振 动 （ 简 称 T E ） ， 垂 直 电 场 平 面 内 的 平 面 切 变 振 动 （ 简 称 F S ） 和 平 行 于 电 场 平 面 的 厚 度 切 变 振 动 （ 简 称 T S ） 等 四 种 类 型 ， 如 图 2 . 4 所 示 。 设 计 压 电 振 子 时 ， 除 应 选 择 合 适 的 压 电 陶 瓷 材 料 之 外 ， 还 要 选 择 合 适 的 压 电 振 子 振 动 模 式 。 其 中 ， 板 式 旋 转 行 波 超 声 电 机 利 用 的 是 压 电 陶 瓷 的 式 的 振 动 。 子行波的产生 图 子有限元模型 (a) 式 (b) 式 (c) 式 (d) 式 图 压电振子的四种振动模式 无锡太湖学院学 士学位论文 8 图 声电机 A 相振型 图 声电机 B 相振型 如 图 2 . 6 和 图 2 . 7 定 子 沿 圆 周 波 数 为 4 的 2 个 正 交 模 态 的 振 型 ， 可 称 作 A 相 和 B 相 。 A 相 振 型 和 B 相 振 型 在 空 间 上 相 差 1 / 4 个 波 长 ， 相 位 相 差 9 0 ， 所 以 为 正 交 模 态 ， 用 振 型 函 数 A （ r , ) 来 描 述 这 个 振 型 ： 可 得 A 相 振 型 驻 波 方 程 ： ( , , ) ( , ) ( ) ( ) c o s ( ) c o s ( )A A A A nQ r t r q t Q R r n t (因为定子板为轴对称结构，和 A 相振型相差任意角度的振型都振型，因此，选择与 可得到 B 相驻波 方程 : ( , , ) ( , ) ( ) ( ) s i n ( ) s i n ( )B B B B nQ r t r q t Q R r n t (根据线性波叠加原理可得： ( c o s ) c o s ( )1 ()( c o s ) c o s ( ) 2 s i n s i n c o n B A Q n n t Q n t （ 由式（ 知，定子这时由正向行波，反向行波和驻波构成。 当 00, Q 时，即 A,B 相同频，等幅和空间时间上都超前2时，此驻波叠加为一个正向行波： ()( , , ) c o s ( )rr t R n t （ 旋转行波超声电机结构设计 9 当 0, Q 时，即 A,B 相同频，等幅和空间时间上都落后2时，此驻波叠加为一个反向行波： ()( , , ) c o s ( )rr t R n t （ 由此可得，定子内的行波是基于和固有频率的两个正交同振型在时间上相差 90 作固有振动叠加成的。所以行波的有效激发条件是空间上相差2时间上也相差2。由此可见，只需改变两相驻波间激励时差，可以轻易的改变行波方向，从而能够实现超声电机的正反转。 子表面质点运动分析 行 波 的 形 成 是 超 声 电 机 转 子 运 动 的 能 量 来 源 ，而 为 了 了 解 行 波 在 转 子 中 的 运 动，则 需 要 对 定 子 表 面 质 点 运 行 轨 迹 进 行 分 析 。 对 于 带 有 带 内 支 撑 板 的 环 形 定 子 ， 因 内 支 撑 板 较 薄 且 质 量 小 ， 故 可 以 忽 略 支 撑 板 的 影 响 ， 视 该 定 子 为 一 个 环 形 薄 板 。 另 外 ， 考 虑 到 的 定 子 环 上 的 齿 的 宽 度 较 小 ， 故 可 忽 略 定 子 环 的 运 动 沿 径 向 的 变 化 ， 用 定 子 环 的 平 均 半 径 即 r m = ( r 1 + r 2 ) / 2 所 对 应 的 圆 周 面 上 的 行 波 来 表 示 定 子 的 行 波 运 动 ， 这 里 ， r 1 、 r 2 分 别 表 示 定 子 环 的 外 径 。 显 然 ， 中 径 r m 对 应 的 圆 周 上 的 行 波 可 描 述 为 )s i n ()s i n ()(),( 0 （ 式 中， )(0 r 表 示 半 径 为 圆 柱 面 上 的 弯 曲 行 波 波 幅 。 为 便 于分 析， 现 将 半 径 为 圆 柱 面 展 开 为 矩 形 ， 同 时 给 矩 形 赋 与 一 定 厚 度 （ 即 定 子 环 的 宽 度 ） ， 这 样 就 得 到 一 个 弹 性 等 截 面 直 梁 ， 显 然 圆 柱 面 和 矩 形 面 的 几 何 对 应 关 系 为 （ 将上式代入（ ，可得 ( , ) s i nr m m mw x t n r x t （ 为了方便书写，引入记号 2m m mk n r （ 式中，m为定子在半径为样就得到了定子所对应的等截面弹性直梁的弯曲行波运动方程 ( , ) s i nr m m mw x t k x t （ 直梁的波动状态如图 示。下面考察弹性梁表面上的任意一个质点 P。 P 到定子中无锡太湖学院学 士学位论文 10 性层的距离为 H 。在梁未发生弯曲变形前， 该质点处于 置。在直梁产生 图 弹性梁表面质点的椭圆运动分析 行波弯曲振动后的第 t 时刻，质点 P 因其所处的横截面偏转而从位置 动到 P/。利用图示几何关系，可求得质点 P 在 z 轴方向（横向）的位移量 ( , ) c o s s i n 1 c o sz z p r m m mu x t W H H k x t H （ 由于 行波的波幅小于行波波长m， 所以梁的截面的偏转角 非常小，故可认为(1 c o s ) 0H ，这样有 ( , ) s i nz r m m mu x t k x t （ 可以看出，质点 P 在 x 轴方向上的位移为 ( , ) s i x t H H （ 同样，利用图 的几何关系，可得到梁的弯曲而造成的截面偏角 为 , c o sr m m m mw x t k k x （ 上式代入（ ，可得到质点 P 的纵向位移 )c o s ( （ 结合考虑（ （ 可推得弹性直梁表面质点的运动轨迹为 2 2, ( , ) 1x zr m r m mu x t u x （ 根据（ 将上述运动方程映射到圆周面内，得到定子环表面质点的运动方程为 22( , ) ( , ) 1r m z r m mu t u t H k （ 由（ 知，此 式 符 合 椭 圆 的 标 准 方 程，因 此 定 子 端 面 上 任 意一 点 都 作 椭 圆 轨 迹 运 动。由 于 产 生 了 椭 圆 运 动。因 此，在 预 压 力 的 作 用 下，定 子 表 面 各 质 点 会 对 1转 子 产 旋转行波超声电机结构设计 11 生 摩 擦 驱 动 力 而 推 动 转 子 转 动，而 且 转 子 的 转 动 方 向 将 与 行 波 传 播 的 方 向 相 反，这 就 是 行 波 超 声 电 机 的 运 动 传 递 机 理 。从 定 子 表 面 质 点 的 运 动 方 程 可 以 看 出：当 利 用 压 电 陶 瓷 的 逆 压 电 效 应 在 弹 性 体 上 激 励 出 了 时 间 上、空 间 上 各 相 差 2 的 两 个 同 频 率 等 幅 值 的 驻 波 时，经 过 线 性 叠 加 后，形 成了 行 波，使 得 定 子 表 面 质 点 产 生 椭 圆 运 动，其 椭 圆 轨 迹 的 长 短 轴 之 比 为者 2。 章小结 本章主要对超声电机的工作原理和结构进行分析，分析了压电陶瓷，定子，转子之间的关系和作用。同时对定子内行波产生的过程及条件进行了分析。并且分析了定子表面质点的运动轨迹，得到定子表面质点的轨迹方程，为后面的设计做好铺垫。保证后续的设计能够更加合理。 无锡太湖学院学 士学位论文 12 3 定子模态分析计算 言 目前的超声电机定子上大多都加工了驱动齿。长期的试验证明，驱动齿可以提高定子的表面振幅和运动速度，使超声电机的工作效率大大提高。因为驱动齿的缘故，使用 解析法求解工作模态和固有频率难度较大，使用传统方法简化求解后，结果与实际误差较大。因此可采用有限元分析法进行有限元分析。可采用有限元分析软件对定子进行固有频率模拟，再与理论计算值作对比，验证固有频率设计的合理性。这些分析结果将为后续的设计做铺垫，使设计出的电机更加科学合理。 有频率的理论计算 振频率计算 图 3超声电机定子结构三维图。其中，驱动齿在计算过程中暂时忽略，简化为无齿定子，如图 示 图 子三维结构图 图 子简化图 假 设 z 方 向 的 挠 曲 位 移 为 ， 应 用 n 次 B e s e l 函 数 J n 、 Y n 、 I n 、 K n 及 其 系 数 A n 、 B n 、 C n 、 D n ， 根 据 式 （ 2 9 ） （ 2 1 1 ） ， 可 表 示 为 )()()()(),( （ 其中振动常数为N，满足 旋转行波超声电机结构设计 13 1( 2 （ 其 中 ， E 为 材 料 的 杨 氏 模 量 ； 为 柏 松 比 ； m 为 单 位长 度 的 平 均 质 量 ， 即 m ， 为 材 料 的 密 度 ； I J 为 横 截 面 的 二 次 惯 性 矩 ， 即 3 / 12JI ， a 为 截 面 宽 度 ； h 为 压 电 振 子 的 厚 度 ， 即 02。 在式（ 式（ ， N、nA、nB、nC、边界条件确定。对于不同的 n ， N存在012分别对应于半径方向不同节圆数的振动模态。对于 0,前面的式（ 可得圆环的共振频率2 00 2 22 ( 1 )n Y （ 由 图 3. 1 ( a ) 可 以 看 到 金 属 圆 环 中 开 的 尺 槽 ， 这 是 为了 放 大 共 振 振 幅 和 减 小 刚 度 ， 为 了 便 于 研 究 有 齿 定 子 特 性 ， 将 图 3 . 1 ( a ) 所 示 的 环 形 超 声 电 机 的 定 子 展 开 复 合 梁 如 图 3 . 2 所 示 。 考 虑 到 复 合 梁 是 压 电 陶 瓷 及 金 属 梁 组 成 ， 在 金 属 梁 的 上 面 有 齿 槽 。 所 以 直 梁 的 共 振 频 率 计 算 公 式 需 要 做 一 些 适 当 的 修 改 。 由 梁 的 弯 曲 理 论 可 知 ， 在 中 性 层 上 所 用 正 应 力 为 零 。 根 据 此 条 件 就 可 以 确 定 中 性 层 及 中 性 轴 的 位 置 。 在图 ，t为齿宽 ， b 为梁宽。设金属梁和压电陶瓷的弹性模量为压电陶瓷底部至中性层距离为0h。由于在中性层上所有正应力为零，可得下式 0Y m m n Y p p d A E S d A （ 式中，mS、据上式可以得到： /2 h th ch ph 复合梁的结构 编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 相 关 资 料 题目： 旋转行波 超声 电机结构设计 信机 系 机 械 工 程 及 自 动 化 专业 学 号： 0923206 学生姓名： 董 骋 指导教师： 宋广雷 （职称： 副教授 ） （职称： ） 2013年 5月 25日 y 1109 2627 as in of An to of in a to of to it of a to a to at is 2. to of of of is by of of as as in of of is 1 at be in a A is to at at to 5 be by of or of or of . of or of in To of a to of to a by to be at is of to is of of of an is as an A is as an at of to to to to SM on at is a in of . of a 3. F he of of is to of of an of at to of is in . is a a to of to is of of an is by on of to as a to a A is to a a of to of in a of of is h, is of of is of is to of is b is a. To is is is to in on in a at 4. he of of be s by . 5, et 6). of of be M, C, K, P, G, x , j , , Q x be 5. of of as as to 3-D 6 to be to of it is by EM to be to to 7 is it is on of is as 2, w2 y 1, y 2 of w is to be of by , 1 w nm is m, n q r If we be be by of be of of to 7 be by in a 5. F of to as a of as A a to of of of is is on as , m, n) = (4, 0) is An to to be as be on we an to on to of a is on ). : An : : is is a . in an To of a 1.1 SM in a a as . a to 48oC at is be in to . of a s . a SM 48o C 6. to of a of of to he to W. V, in a in is r. it is a is by a , r. 1. M. I. W. . A , 1991). 2. A. M. et J. 1, 1, (1992), 44 3. E. et of 987 747(1987). 4. J. J. 6, (1995), 71 5. N. W. . of a 42, 2, 1995 210 6. K. T. . , J. 89 (4), 1996, 519 7. D. G. J. 转型行波超声电机 帕萨迪纳， 利福尼亚理工学院喷气推进实验室； 科斯塔梅萨， 料质量检测中心，威廉梅兰迪亚。 摘要 ： 旋转型超声波电机逐渐发展为太空飞船的微型驱动器及其子系统。此技术应用于有着严格要求的商业产品中，为了更加有效地设计此类电机而采用分析工具。分析模型用于检测在旋转超声电机中激励产生的弯曲行波。这个有限元分析模型为环形，被用于预测环形定子的振动频率和模态响应。此模型给设计高效率的超声波电机提供依据，定子的设计包括齿槽、压电体、定子的几何外形等方面，定子是由他们有 机地组合而成。理论计算值与实验结果的比较表明这将是一个值得世人所关注的课题。与此同时，超声波电机还被用于机械臂，他们是否能够在火星的环境下正常运行的研究还在进行中。 关键词：驱动器，弹性体，压电电机，超声波电机，定子与转子，模态分析。 2. 绪论 当前，美国国家航空和宇宙航行局一直致力于缩小未来太空飞船的体积和减少其质量的研究。为了与这变化想适应，超声波电机逐渐成为机械装置简化的一个重要的手段。传统的微型电磁式电机由于受制造工艺的限制，一般这类电机为了达到速度与扭矩相适应需要使用齿轮减速机构，采用这个将会 增加设备的质量、体积和机构的复杂性，同时增加系统的部件也会降低系统的可靠度。现在所介绍的旋转压电电机将是微型设备中的未来潜在驱动装置，这种马达具有低速大转矩，堵转力矩高、结构简单、响应快等特点，可以将外形制成环形（应用于光学，配线通过中心的电子仪表组件）。目前，一个关于超声波电机在宇宙环境中工作情况的课题正在研究中，换句话说，它能够在低温和真空的环境下有效可靠地运行。 超声波电机按工作模式划分，可以分为静态和动态两种；按运动方式可以分为旋转式和直线式两种；按执行机构的形状可以分为梁式、杆式和板式等等。尽管它 们之间有区别，但是他们的工作原理都是一样，即利用压电效应产生的激励：弹性体（通常与压电陶瓷结合）的细小变形通过精确静态机构或者动态谐振的方法扩大。一些超声波马达已经在一些要求结构紧凑和做间歇运动的领域进行产业化应用。这些应用包括：照相机的镜头自动调焦、手表马达以及结构紧凑的打字机。传统电磁电机为了得到和超声波电机一样转矩 速度特性，需要添加齿轮减速机构，因此增加电机的尺寸、质量和传动装置的复杂性。超声波电机有高的自锁力，它能提供精确的零位移。此外，由于这些电机是依靠摩擦力矩驱动的，所以在无外力的作用下产生反 驱动，因此让人关注的与其他电机相比更高的堵转扭矩。电机的组成部件的数量少代表了潜在故障点的数目会相应减少。超声波电机的优良特性被人们所看好，将其应用于有着体积小，间歇运动要求的机器人上。 图 1 为超声波电机（环形行波超声波电机）的工作原理。行波形成于由环形弹性体构成的定子的表面上，并在转子的表面产生椭圆运动。 定子表面质点的椭圆运动驱动转子和与之相联的轴旋转。在定子表面添加齿槽结构是用于增大振动幅度，以此提高电机的转速。超声波电机的运转依靠运动的定子和转子之间的接触面产生的摩擦。这也是设计如何延长接触面的 使用寿命的关键问题。 图 1 旋转型行波超声波电机工作原理示意图 3. 工作原理 超声波电机一般的工作原理是通过扩大和重复振子的细小应变来产生总的机械运动。振子引起与转子相接触的定子接触面上的质点产生一个轨迹运动，和在转子与定子之间的分界面产生的摩擦，以此扩大微小运动来产生定子的大运动。这一结构如图 1 所示。振子是压电陶瓷受到激励在定子内部产生行波，致使定子上的质点做椭圆运动。在置于定子之上的转子上施加预紧力和旋转的定子和转子之间产生摩擦力，依靠这些扩大接触面上的细微应变。此运动的转换过程与齿轮机构类似 ，产生与行波频率相比更低的旋转速度。 定子的下层的厚度设为定子粘有一定厚度的一组压电体，这些压电体按照一定的顺序和位置与定子的后表面结合，压电陶瓷的厚度设为厚度为 h ，这是压电陶瓷的厚度与定子的厚度之和（其中粘结层厚度忽略不计）。整体高度可以随着径向位置变化而变化。定子的外半径为 b ，内孔半径为 a 。为了产生行波，由两个相差四分之一的波长信号构成压电陶瓷的极化方向，这样的极化方式也能被用来消除定子的范围和最大挠曲。定子上的齿槽在径向位置上成环形分布。 为了在定子内部产生行波，需要同时激励出两个相同的正交振型。在同一模式中，两个极化节粘于定子上，以此构成由压电驱动器，这就是模型。从几何学上分析这个模型，结果表明激励出两个状态分别为 ) )号，将会产 生频率为 /2时，通过改变驱动信号的工作状态，行波的方向也会相应地发现变化。 4. 理论模型 超声波电机的运动方程源于汉密尔顿原理，这个分析模型被许多学者所推导过（比如A. ）。定子的通用运动方程归纳如下： 式中， M、 C、 K、 P、 G分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、机电耦合矩阵和电容矩阵，矢量 x、 j、 Q分别是模型的振幅、 电势正常外力向量 、切向力矢量和电荷矢量。振幅矢量 x和其他广 义矢量能够通过能量平衡原理定义，如理。但是，这个方法忽略了定子上的齿槽的作用。环形定子也会随着内支撑板径向位置的变化而变化，这可能会导致不合要求的结果出现。即使三维有限元分析方法（ 以精确预测模型的固有频率和定子的瞬态响应特性，但这是一个复杂的计算过程。此外，决定设计模型往往需要通过三维有限元分析软件核实计算响应模型和共振频率。由于此方法的所提及的缺点，需要改进过去所描述的周期性有限元，这也是基于超声波马达的对称特性。环形有限元如图 2 所示，其中1 2 1 2,w w y 向移动量 w 穿过每个部分，其表现方程如下： 230 1 2 3 1 2( , , ) ( ) c o s ( ) c o s ( ) ,r t a a r a r a r m w t R R 当 式中， 标 m、 n 分别是沿着 q 和 r 方向的模型。当假设横向切力和旋转惯性效应忽略不计，质量和刚度矩阵能按照标准变化理论推导。因此，解决特征值问题可以得到正常频率和模型的外形。 2 ( ) 0 用标准的公式表示，其 中包括了定子齿槽的作用。其他广义坐标的制定细节也和这些类似确定。这些将会在作者以后的出版物中提及。 5. 对压电电机的分析 对非线性、定子 转子之间的动态联接模型分析时，主要讨论的内容包括预测电机的潜在稳定状态和在临界设计参数的情况下电机的运行瞬态性能，比如接触面上的法向力、齿高、定子的径向切面。有限元的运算法则被融入分析软件中， 代码被用于确定定子模型的特征。模型反应出定子的形状、压电陶瓷的极化模式和定子齿的相关参数。一旦选定定子的每个细节，那么模型的响应也确定了。这也可以在电脑中进行实 时监测，如图 2 所示，此时的模型中的参数已经给定，（ m， n） =（ 4， 0）。利用电子点模式的干涉测量仪验证预测的模型响应特性，结果非常直观，如图 3（左）。 为观察超声波电机工作状态一种新的工具，能够在电脑上模拟仿真。该软件能够模拟旋转电机中弯曲行波在定子中工作状态（图 4）。 图 2 环形有限元分析模型 图 3 模态响应和共振频率（左图）和实验检测（右图） 采用有限元的分析模型，以此构建马达。表 1 为直径为 寸钢结构定子所预测的振型和精确的共振频率。在此表中的结果显示理论值和 实际值相对吻合，为了 图 4 利用动画展示超声波马达的工作原理。 定子以行波的形式运动，转子在定子的上面旋转。 表 1 一个超声波马达的共振频率的理论值和实验值 输入方式 固定频率 测量频率 (m,n) (4,0) 5,0) 6,0) 图 7 在温度为 48与真空度为 22 10 T 的环境下， 直径为 寸的超声波电机的实验检测