旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)與工藝 畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、目 錄1. 前言1.1 概述（01）1.1.1 超聲電機(jī)的定義（01）1.1.2 超聲電機(jī)的特點(diǎn)（01）1.1.3 超聲電機(jī)的應(yīng)用（03）1.2 超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其研究意義（04）1.2.1 超聲電機(jī)的發(fā)展過程（05）1.2.2 研究超聲電機(jī)的意義（08）1.3 超聲電機(jī)的分類（08）1.4 本文主要研究的方向和內(nèi)容安排（08）2. 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理2.1 引言（10）2.2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理及其結(jié)構(gòu)（10）2.2.1 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理（10）2.2.2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)（11）2.3 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析（11）2.3.1 壓電陶瓷與壓電振子

2、（11）2.3.2 壓電陶瓷的極化配電裝置（13）2.3.3 彎曲駐波的產(chǎn)生過程（14）2.3.4 彎曲行波的產(chǎn)生過程和運(yùn)動(dòng)分析（16）2.4 超聲電機(jī)定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析（18）2.5 本章小結(jié)（20）3.超聲電機(jī)的定子模態(tài)分析計(jì)算3.1 引言（21）3.2 定子固有頻率的理論計(jì)算（21）3.2.1 共振頻率的計(jì)算（21）3.2.2 共振振幅的計(jì)算（23）3.3 定子建模與計(jì)算（25）3.3.1 ansys簡(jiǎn)介（25）3.3.2 定子建模（25）3.3.3 定子的ansys分析（27）3.4 本章小結(jié)（29）4. 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 引言（30）4.2 超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)流程（3

3、1）4.3 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（31）4.3.1 定子內(nèi)外徑的選擇（32）4.3.2 振動(dòng)模態(tài)的設(shè)計(jì)與模態(tài)階數(shù)的選擇（32）4.3.3 定子厚度的確定（33）4.3.4 定子齒的設(shè)計(jì)（33）4.3.5 定子內(nèi)支撐板設(shè)計(jì)（34）4.3.6 粘結(jié)層對(duì)定子振動(dòng)特性的影響（34）4.4 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)（34）4.5 摩擦層的設(shè)計(jì)（35）4.6 超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)果（36）4.7 板式旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的裝配結(jié)構(gòu)（37）4.8 本章小結(jié)（39）5. 定子的機(jī)加工工藝設(shè)計(jì)5.1 分析零件的作用（40）5.2 加工對(duì)象材料分析（40）5.2.1 定子材料（40）5.2.2 qsn6.50.4的性能和用途（40）5.3

4、零件的技術(shù)要求（41）5.3.1 工藝要求（41）5.3.2 技術(shù)依據(jù)（41）5.3.3 生成類型的確定（41）5.4 制定定子的工藝路線（41）5.4.1 工藝路線方案一（42）5.4.2 工藝路線方案二（42）5.4.3 工藝路線方案三（43）5.5 確定切削用量（43）5.6 刀具的選用（44）6. 全文總結(jié)（46）致謝 （47）參考文獻(xiàn)（48）附錄 （49）1. 前言1.1 概述1.1.1 超聲電機(jī)的定義超聲電機(jī)也稱為超聲馬達(dá)，是利用電能產(chǎn)生超聲振動(dòng)來獲得驅(qū)動(dòng)力，通過摩擦耦合將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子或滑塊的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)toshiiku sashida（指田年生）的定義：超聲馬達(dá)是一種利用在超聲

5、波頻率范圍內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)器。其英文名字為ultrasonic motor，簡(jiǎn)稱usm。1.1.2超聲電機(jī)的特點(diǎn)超聲電機(jī)（usm）是一種新型的直接驅(qū)動(dòng)型微型電機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)而言，其原理完全不同。從而在實(shí)際使用過程中，超聲電機(jī)具有很多不同于傳統(tǒng)電磁電機(jī)的特性。主要的區(qū)別在以下幾個(gè)方面：n 能量轉(zhuǎn)換過程傳統(tǒng)電磁電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都是剛體結(jié)構(gòu)，兩者之間存在空隙，沒有物理接觸。一般而言，輸入電源功率由流經(jīng)定子或者轉(zhuǎn)子的線圈的電流產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，磁場(chǎng)再將力施加到轉(zhuǎn)子上，從而獲得機(jī)械功率的輸出。由此可知，傳統(tǒng)電磁電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換過程是通過電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)不考慮定轉(zhuǎn)子中磁

6、性材料的飽和和磁滯，能量轉(zhuǎn)化過程是線性可逆的，能夠反過來產(chǎn)生電能。超聲電機(jī)及的定轉(zhuǎn)子是直接接觸，靠摩擦驅(qū)動(dòng)。通常，在超聲電機(jī)的定子上都黏結(jié)有壓電陶瓷元件，對(duì)壓電陶瓷元件上施加交變電壓，能夠激發(fā)出定子彈性體的機(jī)械振動(dòng)，此振動(dòng)通過定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸摩擦轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的定向運(yùn)動(dòng)。由此可知，在超聲電機(jī)中存在兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過程。一個(gè)是壓電陶瓷和定子之間的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，它是通過逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，另外一個(gè)是定子與轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換，它是通過摩擦耦合實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)忽略壓電陶瓷和彈性材料的滯后效應(yīng)，定子的自由振動(dòng)和壓電陶瓷機(jī)電能量轉(zhuǎn)換也是線性可逆的，反過來也能產(chǎn)生電能。n 機(jī)械特性和效率電磁電機(jī)的一種典型類型是直

7、流（dc）電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和效率轉(zhuǎn)速曲線如圖1.1(a)所示。usm的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和效率轉(zhuǎn)矩曲線如圖1.1(b)所示。對(duì)比兩者的機(jī)械特性曲線和效率曲線，不難得出如下結(jié)論：usm具有類似于dc電機(jī)的機(jī)械特性，dc電機(jī)的最大效率在小轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)速（接近空載速度）附近，而usm的最大效率是在低速、大轉(zhuǎn)矩附近。換句話說，dc適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而usm適合于低速運(yùn)轉(zhuǎn)。(a) dc電機(jī)轉(zhuǎn)矩/效率速度曲線 (b) usm電機(jī)轉(zhuǎn)矩/效率速度曲線圖1.1 dc電機(jī)和usm電機(jī)的轉(zhuǎn)矩陣速度曲線 n 響應(yīng)特性電機(jī)能否用于定位控制系統(tǒng)在很大程度上取決于電機(jī)啟停時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)特性。應(yīng)用閉環(huán)位置和速度反饋能夠?qū)⒍ㄎ蛔罱K控制在納米級(jí)

8、精度范圍內(nèi)，但是響應(yīng)時(shí)間和頻率限制卻取決于電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，一般是由輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表示的。電磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小、轉(zhuǎn)子慣量大等特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間常大于10ms，且會(huì)隨著減速箱的增加而增大。由于響應(yīng)慢，電機(jī)啟停角度很大，通常是轉(zhuǎn)動(dòng)的一部分。usm具有轉(zhuǎn)矩大、空載轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)子慣量小等特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間常小于1ms?？焖夙憫?yīng)需要以100khz或更高的頻率采樣的電機(jī)才能獲取減速過程。在這些瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)中，轉(zhuǎn)子位置以0.01度的數(shù)量級(jí)變化，這個(gè)小角度就能解釋usm在閉環(huán)控制中實(shí)現(xiàn)幾個(gè)納米的分辨率?？焖夙憫?yīng)性極大地增加了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得定位調(diào)整頻率高達(dá)1khz，而傳統(tǒng)的電磁電機(jī)僅能達(dá)到100hz

9、左右。通過以上的分析可以知道超聲電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)的區(qū)別。作為一個(gè)新的技術(shù)，有其特有的性能：l 低速、大轉(zhuǎn)矩； l 無電磁噪聲、電磁兼容性好；l 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制性能好； l 斷電自鎖；l 運(yùn)行無噪音；l 微位移特性；l 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)形式靈活、自由度大，易實(shí)現(xiàn)小型化和多樣化；l 易實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化流水線生產(chǎn)；l 耐低溫、真空，適合太空環(huán)境。超聲電機(jī)經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，在眾多科學(xué)家的努力，完成了從理論到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。超聲電機(jī)具有以上優(yōu)良特性，但由于工作機(jī)理及其他方面的原因，超聲電機(jī)存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面：l 目前超聲電機(jī)的壽命相對(duì)較短；l 隨著環(huán)境溫度和自身工作溫度的升高，壓電陶瓷的

10、物理特性會(huì)發(fā)生一定的變化，從而會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的參數(shù)發(fā)生一定漂移，致使電機(jī)的性能出現(xiàn)一定改變；l 需要專門設(shè)計(jì)兩相驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)且對(duì)電源有特定的要求，這就使得超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路較之傳統(tǒng)電機(jī)要復(fù)雜得多，另外，較大尺寸驅(qū)動(dòng)電源也限制了超聲電機(jī)在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用；l 超聲電機(jī)的速度與控制變量間呈現(xiàn)較強(qiáng)的時(shí)變非線性關(guān)系，這給超聲電機(jī)的控制帶來了不少困難；l 價(jià)格仍比較貴。必須指出的是，雖然超聲電機(jī)存在一些不盡人意之處，但其卓越的性能是傳統(tǒng)電機(jī)所無法比擬的。同時(shí)，上述的某些所謂的缺點(diǎn)或不足也并非超聲電機(jī)固有的，隨著超聲電機(jī)研究的不斷深入，其中的一些缺點(diǎn)將逐漸地被克服掉，比如現(xiàn)今的旋轉(zhuǎn)型行波電機(jī)與早期的相比其

11、壽命已有成倍的提高，完全可以滿足一般工程應(yīng)用中長(zhǎng)時(shí)間工作的要求；驅(qū)動(dòng)電源的微型化方面也已取得了實(shí)質(zhì)性的突破；超聲電機(jī)的頻率跟蹤技術(shù)已能保證行波超聲電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。因此在研究與應(yīng)用超聲電機(jī)時(shí)，都必須設(shè)法充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)盡可能避免或彌補(bǔ)其不足，做到取長(zhǎng)補(bǔ)短。1.1.3 超聲電機(jī)的應(yīng)用因?yàn)槌曤姍C(jī)有別于傳統(tǒng)電磁電機(jī)，并且具有優(yōu)良的性能。如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無電磁干擾、定位精度高等。因?yàn)檫@些優(yōu)良性能，超聲電機(jī)被認(rèn)為在機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、汽車、航空航天、精密儀器儀表、伺服控制等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，現(xiàn)在有些領(lǐng)域已經(jīng)得到成功的應(yīng)用。1. 照相機(jī)調(diào)焦；1987年，日本的佳能公司（canon）把超

12、聲電機(jī)應(yīng)用于eos系列照相機(jī)的配用的ef50mmf1.0l、ef300mmf2.8l、ef2880mmf2.8l4l等鏡頭中。其后，其他照相機(jī)制造商也紛紛加入研究超聲電機(jī)在照相調(diào)焦的應(yīng)用，如尼康(nikon)等。使用超聲電機(jī)的鏡頭有靜音、定位精度高、調(diào)焦時(shí)間短、無齒輪減速機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)，所以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕。2. 太空人機(jī)器人中的應(yīng)用；太空機(jī)器人對(duì)電機(jī)有著特別的要求，即輕重量、大轉(zhuǎn)矩、能在超低溫環(huán)境下正常工作等。美國國家航空宇航局（nasa）屬下的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（jet propulsion laboratory）開發(fā)出的環(huán)形行波超聲電機(jī)用于太空行走微型機(jī)器人的微型儀器機(jī)械臂（mia-micro

13、 instrument arm）和微型桅桿式機(jī)械臂（mma-micro mast arm）等。3. 精密定位裝置和隨動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用；因?yàn)槌曤姍C(jī)具有定位精度高、斷電自鎖的特點(diǎn)，所以還可以用于精密定位裝置，如坐標(biāo)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)源。其啟停響應(yīng)快的特點(diǎn)很適合隨動(dòng)系統(tǒng)，如在導(dǎo)彈導(dǎo)引頭裝置中應(yīng)用。4. 民用裝置中應(yīng)用；因?yàn)槌暡ň哂性肼曅?、體積小的特點(diǎn)，所以窗簾的驅(qū)動(dòng)元件。特別適合在辦公場(chǎng)所、醫(yī)院、賓館、劇院、圖書館等對(duì)噪聲低要求的地方。5. 閥門控制；超聲電機(jī)不需要減速機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行，因而在各種閥門中有其廣闊的應(yīng)用前景。特別是它的自鎖特性和快速響應(yīng)特性，可用于閥門的精確流量控制。6. 掃描電子顯微

14、鏡（sem）試料架的驅(qū)動(dòng)；在sem的真空試料室中的試料架位置是需要人為調(diào)節(jié)的，這一部分正好在電子束的下方，所以不能使用電磁式電機(jī)，在以前，僅僅依靠手動(dòng)控制?，F(xiàn)在利用超聲電機(jī)，可以減少許多的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)還可以減少了故障和手動(dòng)的誤差，并能與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)。7. 核磁共振裝置中的應(yīng)用；東京的西門子旭醫(yī)療器械公司把三個(gè)超聲電機(jī)用于核磁共振裝置（mri-ct）的線圈調(diào)整裝置上。mri-ct使用2特斯拉以上的強(qiáng)磁場(chǎng)，傳統(tǒng)的電磁電動(dòng)機(jī)無法在這樣的強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)，并且mri-ct要求不能有擾亂磁場(chǎng)的磁性體接近裝置。在這樣的情況下，不產(chǎn)生磁場(chǎng)也不受磁場(chǎng)干擾的超聲電機(jī)是最為合適的。8. 微位移超聲電機(jī)；這

15、種微位移超聲電機(jī)適用于微小位移運(yùn)動(dòng)，以鈉米級(jí)位移驅(qū)動(dòng)，常用于顯微鏡或者掃描隧道顯微鏡，以及用來做光柵衍射刻線、干涉光譜儀掃描、天體星座圖象分析和檢測(cè)、高精度位移檢測(cè)及分子測(cè)量設(shè)備中。超聲電機(jī)已經(jīng)或準(zhǔn)備應(yīng)用的場(chǎng)所越來越多，如前面所述。在國外，超聲電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中。在國內(nèi)，這仍然是處于一個(gè)相對(duì)落后的水平，國內(nèi)的許多高校和科學(xué)研究所也正積極進(jìn)行攻關(guān)，希望能在不久的將來超聲波在我國的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，更具有普遍性。1.2 超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其研究意義1.2.1 超聲電機(jī)的發(fā)展過程1942年，美國學(xué)者a. williams 和w. brown申請(qǐng)了第一個(gè)超聲電機(jī)模型的專利，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所

16、示，四片壓電陶瓷分為兩組粘貼在截面為正方形的長(zhǎng)條彈性體的兩個(gè)側(cè)面上，對(duì)其施加兩相相位差為90的交變電壓激勵(lì)，能夠在長(zhǎng)條彈性體中激勵(lì)起兩個(gè)方面和頻率相同的彎曲震動(dòng)，從而在彈性體端部質(zhì)點(diǎn)做橢圓搖擺運(yùn)動(dòng)，此橢圓搖擺運(yùn)動(dòng)就可以驅(qū)動(dòng)壓在其上的轉(zhuǎn)子或者移動(dòng)體。這個(gè)模型和當(dāng)今的桿式超聲電機(jī)的工作原理相似，但是由于當(dāng)時(shí)的材料，技術(shù)水平等原因的制約，沒能把模型變成樣機(jī)。 圖1.2 a. williams和w. brown的超聲電機(jī)設(shè)想隨后的一段時(shí)間，科學(xué)家研制出新的壓電陶瓷，比如1947年的s. robert發(fā)現(xiàn)了在batio3陶瓷上加直流偏壓，會(huì)呈現(xiàn)強(qiáng)的壓電效應(yīng)。1954年賈菲等發(fā)現(xiàn)鋯酸鉛（pzt）具有良好的

17、壓電和介電性能。隨著后面壓電材料的不斷豐富，科學(xué)水平的發(fā)展，對(duì)于超聲電機(jī)的研究也得到更近一步的發(fā)展。1961年，日本的bulova鐘表公司發(fā)明了一種利用音叉的往復(fù)位移撥動(dòng)棘輪而獲得驅(qū)動(dòng)的鐘表（如圖1.3所示），一個(gè)月只產(chǎn)生一分鐘的誤差，在當(dāng)時(shí)的十年中，這個(gè)技術(shù)可謂是世界領(lǐng)先水平。造就了超聲電機(jī)樣機(jī)的雛形。1963年，前蘇聯(lián)的m. e. archangelskij設(shè)計(jì)了一臺(tái)利用軸向、彎曲耦合振動(dòng)的振動(dòng)片型超聲電機(jī)，并根據(jù)振動(dòng)合成和間斷接觸理論解釋了超聲電機(jī)的工作原理。其后一年，前蘇聯(lián)的v. v. lavirenco利用壓電陶瓷片制作了世界上第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，并運(yùn)用等效電路的方法分析了壓電陶瓷

18、片的振動(dòng)。1972年，德國西門子公司和日本松下公司研制了利用壓電諧振工作的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)械，其頻率達(dá)到了幾十千赫茲，遺憾的是因?yàn)檎穹^小，無法獲得大的轉(zhuǎn)矩和輸出大的功率。所以不具備很大的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。松下公司為此電機(jī)申請(qǐng)了專利，這也是超聲電機(jī)首個(gè)有專利的樣機(jī)。1973年，ibm公司的h. v. barth提出了別具一格的超聲電機(jī)，如圖1.4所示。該電機(jī)的左右有兩個(gè)楔形超聲振子，兩個(gè)角型驅(qū)動(dòng)足由pzt提供振動(dòng)，它的前部放置于轉(zhuǎn)子上，并保持摩擦接觸。工作時(shí)，當(dāng)左邊的振子收到電壓激勵(lì)時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)右邊的振子收到電壓激勵(lì)時(shí)，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。此電機(jī)可謂是駐波超聲電機(jī)的雛形。與此同時(shí)，前蘇聯(lián)的v. v

19、. lavrinenco等人也研究出與h. v. barth 圖1.3 音叉鐘表驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 圖1.4 h. v. barth發(fā)明的超聲電機(jī)原理相同的超聲電機(jī)，相對(duì)于h. v. barth發(fā)明的超聲電機(jī)而言，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，并且成本低、低速大轉(zhuǎn)矩、單位質(zhì)量功率大、運(yùn)動(dòng)精度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)良特性。1987年，前蘇聯(lián)的vasiliev等科學(xué)家成功研制了一種能夠驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的超聲電機(jī)。其工作原理是利用振動(dòng)片的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，再通過摩擦耦合，把機(jī)械能傳遞給轉(zhuǎn)子。1980年，日本的指田年生在vasiliev的研究基礎(chǔ)上，成功制造出一種振動(dòng)片型超聲電機(jī)，也就是現(xiàn)在所說的駐波型超聲電機(jī)，該電機(jī)的定

20、子是由langevin型振子和薄振動(dòng)片組成，其工作頻率為27.8khz，驅(qū)動(dòng)電壓為300v，輸入功率為90w。輸出扭矩為0.25nm，機(jī)械輸出功率為50w，轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min，效率為55%。此電機(jī)也成為第一臺(tái)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的超聲電機(jī)。但是因?yàn)槠湔駝?dòng)片幾乎與轉(zhuǎn)子相垂直，使得電機(jī)只能單向運(yùn)行，而且在使用過程中，磨損嚴(yán)重。1982年，指田年生又發(fā)明了行波型超聲電機(jī)。此電機(jī)實(shí)現(xiàn)了斷續(xù)點(diǎn)接觸變換成多點(diǎn)連續(xù)不間斷接觸推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，解決了磨損嚴(yán)重問題，成倍延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。1985年，其發(fā)明者在美國為此電機(jī)申請(qǐng)了專利，并系統(tǒng)的闡述和分析了超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)及振動(dòng)原理。這也是當(dāng)今行波型旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)

21、。性能也大幅提高。值得一提的是1987年，松下公司的伊勢(shì)等人在指田年生的研究基礎(chǔ)上，在定子結(jié)構(gòu)上做了一個(gè)改進(jìn)，在定子上增加了梳齒結(jié)構(gòu)。研究表明，這個(gè)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)于定子的剛度影響不大，而且能夠擴(kuò)大定子振動(dòng)的振幅，大大地提高電機(jī)的效率。這樣的結(jié)構(gòu)也被現(xiàn)在大部分超聲電機(jī)采用。隨著超聲電機(jī)的研究不斷深入，在各行業(yè)的應(yīng)用也逐漸開始，與此同時(shí)，美國及西歐一些國家如德國、英國、法國、土耳其，亞洲的韓國、新加波等國相繼加入到超聲電機(jī)研究行列中。尤其是美國，一大批公司多所大學(xué)都開展了超聲電機(jī)研究，其中，特別值得一提的是，美國的濱夕法尼亞（pennsylvania）大學(xué)在19941998年間投資1.5億美元從事壓

22、電材料和超聲電機(jī)的研發(fā)，美國m.i.t的航空航天學(xué)院空間研究中心和電子科學(xué)系的人工智能研究中心也從事了超聲電機(jī)方面的研究。對(duì)于超聲電機(jī)仍在繼續(xù)。在國外已經(jīng)將超聲電機(jī)應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)中時(shí)，其影響也逐漸被世人知曉。在上個(gè)世紀(jì)的80年代末期90年代初期，我國的科研工作者逐漸對(duì)這個(gè)新興技術(shù)關(guān)注。許多的科學(xué)家通過留學(xué)期間的學(xué)習(xí)，把這項(xiàng)技術(shù)的研究情況逐漸介紹到國內(nèi)，并在國內(nèi)的一些研究所中進(jìn)行攻關(guān)。直到90年代中期，我國才真正開始超聲電機(jī)樣機(jī)的試制。其后，國內(nèi)的許多高校也紛紛開始加入研究超聲電機(jī)的行列。主要有東南大學(xué)，清華大學(xué)、南京航空航空大學(xué)、浙江大學(xué)等等國內(nèi)著名高校。雖然起步時(shí)間晚，但是經(jīng)過這幾十年的研

23、究，在運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)建模、仿真計(jì)算、樣機(jī)制作以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方面取得一些成績(jī)。其中有由南京航空航天大學(xué)趙淳生院士領(lǐng)導(dǎo)的精密驅(qū)動(dòng)研究所，該所自1995年成功研制出國內(nèi)首臺(tái)能實(shí)際運(yùn)行的環(huán)形行波超聲電機(jī)以來，先后研發(fā)出16種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型超聲電機(jī)，其中，包括了trum系列圓板式旋轉(zhuǎn)型行波電機(jī)、btrum圓桿式旋轉(zhuǎn)型行波電機(jī)等兩個(gè)系列產(chǎn)品以及直線型、縱扭型、多由度、非接觸超聲電機(jī)等多種超聲電機(jī)。雖然國內(nèi)近年對(duì)于超聲電機(jī)的研究不斷深入，但是與美國、英國、日本等國仍存在很大的差距，望此技術(shù)的科研工作者多向外國學(xué)習(xí)，發(fā)展與完善我國在超聲電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域的理論知識(shí)和應(yīng)用領(lǐng)域，縮小國內(nèi)外的技術(shù)差距?？v觀超

24、聲電機(jī)的發(fā)展過程，可以分為以下三個(gè)階段： 超聲電機(jī)概念階段；標(biāo)志為1942年，美國學(xué)者a. williams 和w. brown提出超聲電機(jī)模型；此階段為1942年至1970年，主要是進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)研究。 超聲電機(jī)樣機(jī)階段；標(biāo)志為1972年，德國西門子公司與日本松下公司研制的直線驅(qū)動(dòng)器。此階段為20世紀(jì)70年代至80年代中期，此時(shí)已經(jīng)開始進(jìn)入實(shí)用產(chǎn)品的研制。 超聲電機(jī)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用階段。1987年下半年，超聲電機(jī)開始實(shí)際應(yīng)用，將超聲電機(jī)應(yīng)用于掃描隧道顯微鏡而獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。此后由指田年生創(chuàng)辦的新生工業(yè)公司開始出售行波超聲電機(jī)。1.2.2 超聲電機(jī)的研究意義超聲電機(jī)突破了傳統(tǒng)

25、電機(jī)的概念，沒有電磁繞組和磁路，不以電磁的相互作用來傳遞能量。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，它慣性小、響應(yīng)快、可控制性好、不受磁場(chǎng)影響、同時(shí)本身也不產(chǎn)生磁場(chǎng)、定位精度高等特點(diǎn)。特別是它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、噪音小、低速大轉(zhuǎn)矩、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等特性。由于直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動(dòng)噪音、間隙以及低效率、難控制等一些問題。所以說，超聲電機(jī)是一種全新的自動(dòng)控制執(zhí)行元件，也是一種嶄新的傳動(dòng)模式，是對(duì)傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)原理的突破和有力的補(bǔ)充。有專家預(yù)言：21 世紀(jì)將是超聲電機(jī)大放光芒的時(shí)代, 它將有可能部分取代微、小型的傳統(tǒng)電磁電機(jī)而得到更廣泛的應(yīng)用。自20世紀(jì)80年代超聲電機(jī)開始逐漸步入工程

26、實(shí)用化以來，在短短的不到二十年的時(shí)間里，從民用照相機(jī)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)到航天的“火星旅游者”中的驅(qū)動(dòng)裝置，從微型機(jī)械中的執(zhí)行器到超導(dǎo)懸浮列車、從高級(jí)轎車到核磁共振醫(yī)療裝置，超聲電機(jī)無處不在發(fā)揮著其重要的作用。而超聲電機(jī)目前良好的發(fā)展勢(shì)頭，使我們更有理由相信，隨著usm技術(shù)的日臻成熟以及usm卓越性能逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，在不久的將來，超聲電機(jī)必將在更多的領(lǐng)域、更大的范圍內(nèi)逐漸取代傳統(tǒng)小型、微型電磁電機(jī)的應(yīng)用，將在國民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域以及人們的生產(chǎn)、生活中發(fā)揮出越來越重要的作用?？偠灾?，深入進(jìn)行超聲電機(jī)的研究不僅具有重要的理論價(jià)值，而且具有重要的實(shí)際意義。 1.3 超聲電機(jī)的分類超聲電機(jī)種類繁多，目前尚無

27、系統(tǒng)而統(tǒng)一的分類方法，因此，可以從不同角度對(duì)其分類，例如，根據(jù)超聲電機(jī)利用的機(jī)械波的不同，可以分為行波型和駐波型兩大類；根據(jù)其輸出運(yùn)動(dòng)的不同，可將其分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩類，且各自都有行波型和駐波型；對(duì)于直線型超聲電機(jī)而言，根據(jù)動(dòng)子的工作方式不同，又有自行式和非自行式?？紤]到超聲電機(jī)的工作原理主要是利用了彈性體的超聲振動(dòng)，以其振動(dòng)的特定模式（如彎曲、扭轉(zhuǎn)、縱振、以及平面內(nèi)的徑向振動(dòng)等等）為標(biāo)志來進(jìn)行分類比較能反映超聲電機(jī)的特點(diǎn)。 1.4本文主要的工作安排本文的研究對(duì)象是超聲電機(jī)和超聲電機(jī)的基本設(shè)計(jì)問題，首先介紹超聲電機(jī)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及目前還存在的問題和超聲電機(jī)的發(fā)展過程；其次詳細(xì)的介紹超聲電

28、機(jī)的工作原理以及它的特點(diǎn)和分類，同時(shí)介紹了超聲電機(jī)的應(yīng)用和范圍；再次針對(duì)超聲電機(jī)的原理和特點(diǎn)，利用解析法和有限元分析兩種方法對(duì)超聲電機(jī)中定子的振動(dòng)模態(tài)以及固有頻率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)兩種方法進(jìn)行比較；最后根據(jù)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)超聲電機(jī)的基本參數(shù)、材料進(jìn)行分析與選取，從而設(shè)計(jì)出達(dá)到所規(guī)定要求的超聲電機(jī)。2. 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理2.1 引言旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)是依靠定子彈性體內(nèi)部產(chǎn)生的行波。并通過轉(zhuǎn)子和定子之間的耦合摩擦獲得力矩，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。相對(duì)與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)而言，這種電機(jī)是一種新的技術(shù)，一種革新。在本章中，將結(jié)合幾何分析法與運(yùn)動(dòng)分析法對(duì)超聲電機(jī)的工作原理進(jìn)行分析，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作奠定基

29、礎(chǔ)。2.2旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理及其結(jié)構(gòu)2.2.1 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)（traveling wave type rotary ultrasonic motor，縮寫為trum）作為超聲電機(jī)一種重要的形式，同時(shí)也是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的超聲電機(jī)。故名思意，旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)是產(chǎn)生行波，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。行波的產(chǎn)生過程如圖2.1所示，由圖可知，定子的端面上粘貼有布置適當(dāng)?shù)腶、b兩組壓電陶瓷片。行波過程具體為：在a、b兩組壓電陶瓷分別施加兩相相差為90的同頻率、等幅值的交變激勵(lì)電壓信號(hào)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，則會(huì)在定子上激勵(lì)出兩個(gè)在時(shí)間上和空間上分別相差90的同頻

30、率，等幅值的駐波彎曲振動(dòng)，兩駐波在定子中進(jìn)行線性疊加后，便形成了所謂的彎曲行波。當(dāng)行波形成之后，則會(huì)使處于定子表面的質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)，即定子表面質(zhì)點(diǎn)的軌跡為橢圓。再根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子（動(dòng)子）之間的耦合摩擦作用將定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)子（轉(zhuǎn)子）的往復(fù)運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。如圖2.1 超聲電機(jī)工作原理圖。由此可見，行波電機(jī)的工作過程可以分為兩個(gè)部分：一部分為壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激勵(lì)定子振動(dòng)；另一部分為定子與動(dòng)子（轉(zhuǎn)子）之間的摩擦傳遞與轉(zhuǎn)換?？紤]到定子、動(dòng)子（轉(zhuǎn)子）的結(jié)構(gòu)的多樣性，就出現(xiàn)許許多多各式各樣的超聲電機(jī)，如定子設(shè)計(jì)為直線導(dǎo)軌型，即為直線式行波超聲電機(jī)；當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為圓板式結(jié)構(gòu)，就變成了旋

31、轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)，其工作原理圖如圖2.1所示。2.2.2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖2.2 旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)展開圖旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的主要工作部件包括定子、轉(zhuǎn)子和其他電機(jī)附件，結(jié)構(gòu)的展開圖如圖2. 2所示。從圖上可以看出，定子由壓電陶瓷片和定子彈性體兩部分組成，兩者是依靠粘結(jié)劑粘結(jié)在一起。定子是超聲波的核心工作部件，因此，定子的設(shè)計(jì)是超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)主要任務(wù)，其次是轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子需要保證在與定子相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生足夠的摩擦，所以在轉(zhuǎn)子與定子的接觸面上需要附著一層摩擦材料。另外還有其他電機(jī)附件，如加壓彈簧、滾動(dòng)軸承、用于放置定子的定子座和電機(jī)蓋，這些都是超聲電機(jī)不可缺少的部件，每個(gè)部件有其特殊的功能，

32、比如放于轉(zhuǎn)子之上的加壓彈簧，這個(gè)部件是為了在定子與轉(zhuǎn)子之間需要有一定的軸向預(yù)壓力，才有可能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的切向摩擦力。此電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，輸出力矩及輸出的轉(zhuǎn)速的范圍大，扭矩與體積的比值也大。2.3 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析2.3.1 壓電陶瓷與壓電振子壓電陶瓷是超聲電機(jī)中所使用的特殊材料，是用于將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件。定子表面的質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)也是由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激勵(lì)的，壓電陶瓷的電能與機(jī)械能的耦合是超聲電機(jī)的運(yùn)行基礎(chǔ)?？梢妷弘娞沾蓪?duì)于超聲電機(jī)的重要性。了解壓電陶瓷對(duì)于超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的幫助，同時(shí)也能更好地實(shí)施超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。所以對(duì)于壓電陶瓷的研究關(guān)系到是否能提高

33、超聲電機(jī)的綜合性能。1880年，居里兄弟（pierre-curie和jacques-curie）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)在-石英晶體的特定方向上施加一定的機(jī)械外力，晶體會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在與機(jī)械外力方向垂直的兩個(gè)表面內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電荷。通過定量的分析，發(fā)現(xiàn)電荷密度與外力的大小成正比，這就是現(xiàn)在的“壓電效應(yīng)（piezoelectric effect）”，也稱為正壓電效應(yīng)。其后他們又發(fā)現(xiàn)：當(dāng)-石英晶體在外電場(chǎng)的作用下，晶體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或者應(yīng)變，使得晶體發(fā)生變形，這就是現(xiàn)在的逆壓電效應(yīng)。后來把正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)，同時(shí)把具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電體。有了壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。并

34、不是所有的晶體都具有壓電效應(yīng)的，是否具有壓電效應(yīng)取決于晶體本身的結(jié)構(gòu)。研究表明，壓電體可以是單晶體、多晶體、聚合物、生物體（如骨骼）。其中超聲電機(jī)所使用的壓電陶瓷一般為壓電多晶體鋯鈦酸鉛，其化學(xué)式為pb(zr-ti)o3,英文縮寫為pzt。(a) 極化前的電疇取向 (b) 極化后的電疇取向圖2.3 壓電陶瓷中的電偶極子壓電陶瓷本身是一種鐵電體，在未經(jīng)極化前沒有壓電性。微觀上，壓電陶瓷可以看作是眾多無規(guī)則取向的鐵電晶體組成的,如圖2.3(a)所示。這種無規(guī)則的取向和微晶中的“電疇”結(jié)構(gòu)，使得燒結(jié)后的陶瓷體在宏觀上為各向同性的、不呈現(xiàn)壓電性。為使壓電陶瓷具有壓電性，使電場(chǎng)與形變構(gòu)成所謂的本構(gòu)關(guān)系，

35、就需預(yù)先對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化，即需在壓電陶瓷片上施加很高的直流極化電場(chǎng)，如圖2.3(b)所示，使鐵電體中的“電疇”的取向盡可能具有一致性，而撤除該電場(chǎng)后，由于鐵電晶體具有類似磁滯的“電滯回線”特性，從而會(huì)使壓電陶瓷中仍能保留一定的剩余電場(chǎng)。當(dāng)在此剩余電場(chǎng)上疊加一小的交流電場(chǎng)時(shí)，由于交流電場(chǎng)相對(duì)很小，其作用一般不足以使“電疇”轉(zhuǎn)向，但可以引起電疇邊界的移動(dòng)，使與電場(chǎng)同向的電疇體積增大，與電場(chǎng)反向的電疇的體積減小，這樣，經(jīng)過極化的壓電陶瓷便具有了較典型的壓電性。可見，經(jīng)極化處理后的壓電陶瓷可當(dāng)作壓電晶體使用，而且其壓電性會(huì)表現(xiàn)得更明顯。當(dāng)把交變電場(chǎng)以特定方式施加到壓電陶瓷片上以后,通過逆壓電效應(yīng)可激

36、發(fā)出壓電陶瓷的振動(dòng)模式，這時(shí)壓電陶瓷就成為了一個(gè)壓電振子。壓電振子典型振動(dòng)模式主要有：垂直于電場(chǎng)方向的長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)（簡(jiǎn)稱le）、平行于電場(chǎng)方向的厚度伸縮振動(dòng)（簡(jiǎn)稱te），垂直電場(chǎng)平面內(nèi)的平面切變振動(dòng)（簡(jiǎn)稱fs）和平行于電場(chǎng)平面的厚度切變振動(dòng)（簡(jiǎn)稱ts）等四種類型，如圖2.4所示。設(shè)計(jì)壓電振子時(shí)，除應(yīng)選擇合適的壓電陶瓷材料之外，還要選擇合適的壓電振子振動(dòng)模式。其中，板式旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)利用的是壓電陶瓷的le模式的振動(dòng)。(a) le模式 (b) te模式 (c) fs模式 (d) ts模式圖2.4 壓電振子的四種振動(dòng)模式2.3.2 壓電陶瓷的極化供電配置根據(jù)行波的形成，為能在定子彈性體上激發(fā)出兩相

37、時(shí)、空上相差的駐波，就必須合理地配置壓電陶瓷的極化方向及激勵(lì)方式，只有這樣才能產(chǎn)生正確激振力。為便于說明這一問題，假想地將圓環(huán)展開為直梁，則通過以下三種極化配置和激勵(lì)方式可得到所需的兩相駐波：(a) 方式一 (b) 方式二 (c) 方式三圖2.5 壓電陶瓷的極化配置方案 1）將上、下兩片壓電陶瓷環(huán)和彈性體粘接在一起，兩個(gè)壓電陶瓷的電極在空間上相互錯(cuò)開，在兩片壓電陶瓷上施加相位差為的交變電壓，如圖2.5(a)所示。采用這樣的方式激發(fā)的兩個(gè)駐波可合成為行波。2）將同一片壓電陶瓷環(huán)極化處理為極化方向相反的兩個(gè)部分，并使這兩部分在空間上錯(cuò)開波長(zhǎng)，如圖2.5(b)所示， 同時(shí)在這兩部分上分別施加時(shí)間上相

38、差的交流電壓，則在兩個(gè)部分上分別產(chǎn)生的駐波，它們也同樣可以疊加出行波。3）在一片壓電陶瓷上按圖2.5(c)所示的方式進(jìn)行極化和施加電壓，也可以形成時(shí)間上、空間上分別相差的駐波信號(hào)。大多數(shù)旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)采用圖2.5(b)的方式，如旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)trum60工作在b09模態(tài)下，其極化方式即采用上述第二種配置方案，如圖2.6所示。為旋轉(zhuǎn)型行波的一種特殊的形式，也是采用相同的方案。圖中，a區(qū)（相）和b區(qū)（相）為極化激勵(lì)區(qū)?？紤]到必須預(yù)留一個(gè)波長(zhǎng)空間（另有它用），所以駐波的波數(shù)選定為奇數(shù)，處于極化區(qū)的壓電陶瓷正好占用偶數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的空間。這樣做的目的是為了更好地保證激勵(lì)出兩相駐波的左右對(duì)稱性。預(yù)留的一個(gè)

39、波長(zhǎng)中區(qū)域稱為孤極反饋區(qū)，通常該區(qū)也要進(jìn)行極化，但該區(qū)不是用來實(shí)現(xiàn)定子激勵(lì)的，其上也不施加交變電壓。該區(qū)在隨定子一起振動(dòng)的過程中，會(huì)因?yàn)槟鎵弘娦?yīng)而會(huì)產(chǎn)生交變電壓，通過該電壓可判斷超聲電機(jī)的工作狀態(tài)，因此該電壓可作為驅(qū)動(dòng)和控制的反饋信號(hào)。gnd區(qū)占據(jù)四分之三個(gè)波長(zhǎng)，它是作為a區(qū)和b區(qū)的公共地。值得一提的是，采用以上極化配置方式時(shí)，當(dāng)給處于a相極化區(qū)內(nèi)的壓電陶瓷單獨(dú)激振時(shí)，可以激發(fā)出a相駐波，此時(shí)b相壓電陶瓷中由于逆壓電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電壓，但由于b相壓電陶瓷在同一極性的極化小區(qū)內(nèi)一半處于波峰區(qū)，一半處于波谷區(qū)，因此由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓正負(fù)抵消，即a、b兩相壓電陶瓷的激振互不影響。圖2.6 trum

40、60電機(jī)的壓電陶瓷的極化方式2.3.3 彎曲駐波振動(dòng)的產(chǎn)生過程超聲波以行波和駐波的形式傳播，都是由頻率和振幅均相同、振動(dòng)方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波。當(dāng)波在介質(zhì)中傳播時(shí)其波形不斷向前推進(jìn)，稱為行波（traveling wave）；當(dāng)上述兩列波疊加后波形并不向前推進(jìn)，稱為駐波（standing wave）。壓電陶瓷質(zhì)硬且脆，通過壓電效應(yīng)直接產(chǎn)生的位移很小，因此，采用壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換時(shí)，一般不把它直接當(dāng)作壓電振子來使用，而是將它與某種彈性體粘接在一起共同構(gòu)成振動(dòng)體，這種振動(dòng)體稱為壓電層合結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的定子實(shí)際就是一個(gè)壓電層合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中壓電陶瓷用于對(duì)定子

41、彈性體施加激振力，使定子產(chǎn)生位移響應(yīng)。 （a）拉彎組合變形 （b）壓彎組合變形圖 2.7 壓電陶瓷激發(fā)的結(jié)構(gòu)變形若按如圖2.8(a)所示的方式在彈性板下面粘貼一組壓電陶瓷片，使任意的相鄰的兩片陶瓷的極化方向是相反的，則當(dāng)沿著極化方向通以電壓時(shí)，壓電陶瓷片會(huì)產(chǎn)生圖2.8(b)所示的在相鄰極化區(qū)域交替伸縮的變形狀態(tài)；如果將直流電壓進(jìn)行反相，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生圖2.8(c)所示的相反方向的交替伸縮變形狀態(tài)；不難理解，若在其上施加交變電壓，則壓電陶瓷將產(chǎn)生如圖2.8(d)的交變伸縮變形。這樣，就可在壓電層合梁中形成彎曲駐波振動(dòng)。（a）電場(chǎng)激振前（b）正向激勵(lì)（c）反向激勵(lì) (d) 駐波振動(dòng)圖2.8 定子駐

42、波的產(chǎn)生過程示意圖2.3.4 彎曲行波的產(chǎn)生過程和運(yùn)動(dòng)分析作為旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的振動(dòng)主體的定子，是一個(gè)帶支撐板的圓環(huán)。，這種結(jié)構(gòu)的定子上有梳齒結(jié)構(gòu)，理論上講，其振動(dòng)方程沒有解析表達(dá)式，因內(nèi)支撐板較薄且質(zhì)的重要尺寸和結(jié)構(gòu)。再完成模態(tài)分析之后，還需要確定諧響應(yīng)分析的頻率范圍和諧響(a) 模態(tài)的頻率freq=29745h(b) 模態(tài)的頻率freq=29761hz(c) 模態(tài)的頻率freq=36457hz(d) 模態(tài)的頻率freq=36470hz(e) 模態(tài)的頻率freq=43471h(f) 模態(tài)的頻率freq=43471hz圖3.8 模擬仿真所得到振型應(yīng)的分析。在諧響應(yīng)的分析過程中，可以求出某個(gè)節(jié)點(diǎn)

43、在某個(gè)頻率下的振幅，這個(gè)振幅是一個(gè)絕對(duì)值，這不同于模態(tài)分析中的振幅，模態(tài)分析中的振幅是一個(gè)相對(duì)值。最后依據(jù)以上這些分析的結(jié)構(gòu)再對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)的作用。3.4 本章小結(jié)本章主要討論了超聲波的模態(tài)分析過程并從理論和模擬仿真兩個(gè)方面。通過這些分析計(jì)算，得出定子的固有頻率的理論值和振動(dòng)振幅的理論值，利用ansys有限元分析軟件模擬仿真得出定子的固有頻率的實(shí)際值和振幅的實(shí)際值。根據(jù)理論值與實(shí)際值之間的差值進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸。這為了后續(xù)的電機(jī)設(shè)計(jì)提供條件。4. 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1 引言超聲電機(jī)經(jīng)過了這幾十年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，還沒有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

44、。往往都是依靠經(jīng)驗(yàn)確定電機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)等，再通過電機(jī)的性能實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，根據(jù)需求，提出性能指標(biāo)初步確定定子的機(jī)構(gòu)對(duì)定子進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析工作頻率是否合適是否無模態(tài)混疊合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子仿真結(jié)果是否滿足性能指標(biāo)電機(jī)性能仿真試制實(shí)驗(yàn)電機(jī)性能是否滿足性能指標(biāo)編寫技術(shù)資料，進(jìn)行投產(chǎn)圖4.1 旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)流程圖根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再對(duì)電機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過數(shù)次的調(diào)整，使電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。4.2 超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)流程旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)過程與一般通用機(jī)械的設(shè)計(jì)過程一樣，大致經(jīng)過以下幾個(gè)階段，設(shè)計(jì)流程如圖4.1所示。很據(jù)用戶的需要，確定超聲電機(jī)的性能指標(biāo)要求。旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的性能指標(biāo)主要包括：額定扭矩、額定轉(zhuǎn)

45、速、額定輸出功率、自鎖扭矩、整體結(jié)構(gòu)尺寸、使用壽命、輸入電壓、噪聲等一般指標(biāo)，對(duì)于一些用于特殊場(chǎng)合的超聲電機(jī)，用戶還有一些特殊的要求如無電磁干擾、電機(jī)啟停響應(yīng)時(shí)間、中空結(jié)構(gòu)以及真空使用，等等。根據(jù)用戶要求的電機(jī)性能指標(biāo)，初步確定其各個(gè)零部件的材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸等。在行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸的確定中，首先定子的材料和結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)定子的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理選取。確定了定子的具體尺寸后，要對(duì)定子進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。另外，還要分析定子在工作模態(tài)附近是否存在干擾模態(tài)。設(shè)計(jì)好定子后設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子。然后根據(jù)設(shè)計(jì)的定、轉(zhuǎn)子的參數(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的超聲電機(jī)進(jìn)行性能仿真，比較仿真結(jié)果是否滿足電機(jī)的性能指標(biāo)要求，從而決定是否

46、修改初步設(shè)計(jì)，抑或繼續(xù)下一步的設(shè)計(jì)工作。根據(jù)方案設(shè)計(jì)所得到的超聲電機(jī)尺寸，繪制零部件圖紙并加工。然后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，并將性能試驗(yàn)的結(jié)果與預(yù)估的性能指標(biāo)相比較根據(jù)結(jié)果是否滿足需求， 再進(jìn)行加工或改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。4.3 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定子的結(jié)構(gòu)主要涉及到內(nèi)外徑的選擇，定子厚度的設(shè)計(jì)，定子齒的設(shè)計(jì)及粘結(jié)層的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。定子作為電機(jī)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到電機(jī)的綜合性能是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的。研究表明，電機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸和性能有著一些特定的關(guān)系，也被稱為比例效應(yīng)。表4.1為同一直徑條件下，電機(jī)的尺寸與性能之間的關(guān)系。利用這個(gè)比例因子可以對(duì)電機(jī)的性能進(jìn)行估算。從上表可以看出：當(dāng)電機(jī)處于

47、正常的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滿足：參量單位比例長(zhǎng)度體積質(zhì)量速度角速度功率力矩表4.1 超聲電機(jī)的比例效應(yīng)4.3.1 定子內(nèi)外徑的選擇有表4.1所示的電機(jī)性能的比例效應(yīng)，可以根據(jù)實(shí)際中已有環(huán)形行波超聲電機(jī)的性能大略估算達(dá)到能夠滿足設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)的定子外徑大小。就環(huán)形行波超聲電機(jī)而言，其壓電陶瓷的內(nèi)外徑一般同定子的內(nèi)外徑一致，因而可根據(jù)壓電陶瓷的內(nèi)耗大小確定定子內(nèi)徑。研究表明，當(dāng)內(nèi)外徑比在0.7左右的時(shí)候，壓電振子的自由振動(dòng)能量損耗最小，因而設(shè)計(jì)內(nèi)徑為外徑的0.7左右，即 （4-1） 從超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)要可以知道，電機(jī)的定子的外徑=60mm。由式（4-1）可得mm。和傳統(tǒng)的電磁電機(jī)的定子設(shè)計(jì)一樣，其尺寸需要進(jìn)

48、行標(biāo)準(zhǔn)化，一般選取以0和5結(jié)尾的尺寸規(guī)格。在此選擇mm。4.3.2 振動(dòng)模態(tài)的設(shè)計(jì)與模態(tài)階數(shù)的選擇1. 定子振動(dòng)模態(tài)的選擇主要根據(jù)以下三方面：（1）定子驅(qū)動(dòng)相的對(duì)稱，它決定了振動(dòng)模態(tài)必須為奇數(shù)模態(tài)；之所以選擇奇數(shù)模態(tài)是因?yàn)樵谡n題中所選擇的激勵(lì)方式為單壓電雙相。為了產(chǎn)生理想的行波振型，需要兩相信號(hào)有一個(gè)反饋電極區(qū)域。當(dāng)為偶數(shù)模態(tài)時(shí)候，會(huì)因?yàn)槠茐牧藘上嗟膶?duì)稱性可能造成得不到想要的行波振型。（2）定子的振動(dòng)頻率，需要在超聲波頻域范圍，即大于20；（3）定子的振動(dòng)壽命。2. 定子模態(tài)階數(shù)的選擇旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的運(yùn)行需要定子有一定的振動(dòng)幅值，這里從定子振動(dòng)的疲勞壽命及電壓激勵(lì)角度考慮模態(tài)階數(shù)的選擇。隨著

49、模態(tài)階數(shù)n的增加，定子機(jī)械損耗及壓電陶瓷內(nèi)部損耗增加，減小，要保持定子振幅恒定，必須大大的增加激勵(lì)電場(chǎng)強(qiáng)度，反過來增加了壓電陶瓷的損耗，增加了壓電陶瓷使用中的循環(huán)應(yīng)力，使得疲勞壽命降低。因而，希望定子的振動(dòng)模態(tài)階數(shù)同定子的半徑能夠成比例的變化，使得定子振動(dòng)的行波波長(zhǎng)為=2r/n能夠基本保持恒定。因而，定子振動(dòng)模態(tài)數(shù)的選擇原則為，不同半徑定子的振動(dòng)模態(tài)數(shù)變化比例應(yīng)該小于等于半徑的變化比例。按此原則，可使壓電振子等效電路測(cè)試中的動(dòng)態(tài)導(dǎo)納在定子的整個(gè)振動(dòng)譜圖中為最大值，也即振動(dòng)的損耗最小。綜合上述兩點(diǎn)，結(jié)合第三章的ansys軟件對(duì)定子的工作模態(tài)模擬仿真結(jié)構(gòu)，確定電機(jī)的工作模態(tài)為b09。4.3.3 定

50、子厚度的確定一般，定子材料選擇不銹鋼或者青銅。如果知道了定子的厚度，就可求出定子圓環(huán)在相應(yīng)振動(dòng)模態(tài)下的諧振頻率。按照設(shè)計(jì)要求，此諧振頻率要在超聲頻域（即大于20khz）內(nèi)?？紤]到附加齒以后，定子環(huán)的諧振頻率會(huì)有所下降，此處設(shè)計(jì)定子的厚度，設(shè)定定子的諧振頻率。由此可以得出定子的厚度。所以可以求得h=5mm。4.3.4 定子齒的設(shè)計(jì)定子齒的作用是在不提高定子環(huán)的彎曲剛度和固有頻率的前提下，增大定子橢圓運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)振幅值，同時(shí)，增加定子與轉(zhuǎn)子之間的摩擦驅(qū)動(dòng)效率。此外，電機(jī)運(yùn)行過程中因摩擦產(chǎn)生的微小顆粒落入齒槽中而不影響定轉(zhuǎn)子之間的摩擦傳動(dòng)。齒的設(shè)計(jì)包括齒槽寬度、齒高和齒數(shù)的確定。1. 齒數(shù)z齒數(shù)z的選

51、擇與振動(dòng)模態(tài)數(shù)有關(guān)，同時(shí)還要考慮加工過程中銑槽時(shí)的分度情況，齒數(shù)的最佳取值為振動(dòng)模態(tài)數(shù)n的整數(shù)倍。所以，在本課題中的直徑為60mm的超聲電機(jī)，其振動(dòng)模態(tài)數(shù)為9，考慮到便于分度加工。在此選擇齒數(shù)z為72，齒數(shù)不宜太多，這不僅會(huì)增加加工的難度，還將會(huì)降低齒的剛度。2. 齒槽寬、齒寬齒槽寬度的確定主要與加工刀厚度有關(guān)，齒槽太寬，齒的剛度會(huì)降低、，使得齒在加工過程中發(fā)生變形，齒槽太窄造成加工困難，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和加工刀具的厚度，一般取齒槽為0.40.6mm范圍較為合適。在這里選取=0.5mm。通常，我們認(rèn)為定子齒的寬度遠(yuǎn)小于定子行波波長(zhǎng)，在定子內(nèi)外徑尺寸、齒數(shù)和齒槽寬確定后，齒寬也就唯一確定了，即 （4-2

52、）3. 齒高電機(jī)的齒高高度有個(gè)最佳值。齒高太高，定子的諧振頻率就會(huì)降低，定轉(zhuǎn)子之間的摩擦和磨損增大，輸出力矩降低，且容易產(chǎn)生噪音。齒高太低，齒對(duì)定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)幅值放大作用會(huì)降低，轉(zhuǎn)子的輸出速度會(huì)受到影響。研究表明，當(dāng)齒高滿足式（4-3）時(shí)，此時(shí)，定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)滑動(dòng)和磨損最小。4.3.5 定子內(nèi)支撐板設(shè)計(jì)定子支撐部分與振動(dòng)圓環(huán)部分的截面如圖所示，其厚度一般選擇能夠滿足定子的支撐強(qiáng)度即可，可在1.5mm1mm之間選擇。經(jīng)有限元計(jì)算分析表明，定子支撐部分的位置幾乎不影響定子振動(dòng)的固有頻率及撓曲幅值。通常會(huì)將定子支撐的位置設(shè)定在定子環(huán)的中間位置,即，因此選取定子內(nèi)支撐板的厚度為0.8mm，支撐位置選在定子環(huán)的中間，即t=2.5mm。4.3.6 粘結(jié)層對(duì)定子振動(dòng)特性的影響在前面的定子振動(dòng)模態(tài)分析中，忽略了粘結(jié)層的影響，這是因?yàn)檎辰Y(jié)層對(duì)于定子的振動(dòng)模態(tài)影響不大。但是這不表示粘結(jié)層對(duì)于定子的振動(dòng)毫無影響，粘結(jié)層的厚度和膠粘劑的介電常數(shù)直接影響到壓電陶瓷的激勵(lì)。一般選擇高介電常數(shù)材料，并嚴(yán)格控制粘結(jié)層的厚度，一般需小于5。以實(shí)現(xiàn)定子金屬體和壓電陶瓷電極的直接導(dǎo)通。為了使定子金屬體和壓電陶瓷之間達(dá)到最佳的激勵(lì)效