超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì) 行波型超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)
超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì) 行波型超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì),超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì),行波型超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì),超聲波,電機(jī),設(shè)計(jì),行波
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
目錄
第1章 緒論 3
1.1 超聲波電機(jī)的定義與發(fā)展歷史 3
1.2 超聲波電機(jī)的基本工作原理 5
1.3 超聲波電機(jī)的分類 6
1.4 超聲波電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用 6
1.5 超聲波電機(jī)技術(shù)的展望 7
第2章超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 8
2.1 橢圓運(yùn)動(dòng)的分析 8
2.2 駐波的產(chǎn)生及行波的合成 10
第3章 超聲波電機(jī)的理論計(jì)算與設(shè)計(jì) 13
3.1 定子諧振頻率的計(jì)算 13
3.2 壓電陶瓷換能器的設(shè)計(jì)和制作 16
3.2.1 壓電陶瓷的設(shè)計(jì) 16
3.2.2 壓電陶瓷材料的選用 17
3.2.3 壓電陶瓷的接線方式 17
3.3 定子的設(shè)計(jì)及制作 19
3.3.1 定子尺寸與行波超聲波電機(jī)輸出特性的關(guān)系 19
3.3.2 定子的內(nèi)外徑尺寸的選擇 21
3.3.3 定子的振動(dòng)模態(tài)的選擇 21
3.3.4 定子的齒形齒數(shù)設(shè)計(jì) 21
3.3.5 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
3.3.7定子材料的選擇 23
3.4 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及制作 24
3.4.1 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子的柔性要求 24
3.4.2 定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合 25
3.4. 摩擦層的設(shè)計(jì) 26
3.5 定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的總結(jié) 26
第4章 超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù) 27
第5章 超聲波電機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30
第6章 全文總結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
致謝 34
附錄 英文翻譯譯文 35
1
超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)
摘要：超聲波電機(jī)是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)工作的新概念、新原理電機(jī)。與傳統(tǒng)電磁型電機(jī)截然不同，其驅(qū)動(dòng)力矩并非由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，它利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)使定子產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，通過定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。由于超聲波電機(jī)特殊的工作原理，它具有很多傳統(tǒng)電磁電機(jī)無法比擬的優(yōu)越性能，如結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)速度快、不受磁場(chǎng)影響、斷電自鎖、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等。正是由于超聲波電機(jī)具有許多的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前世界范圍內(nèi)的一門新興前沿課題。
本文主要以超聲波電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)超聲波電機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。研究的主要內(nèi)容可概括如下：系統(tǒng)地總結(jié)國(guó)內(nèi)外超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史和重要意義，介紹了超聲波電機(jī)的工作原理、分類、特點(diǎn)及其應(yīng)用前景。在對(duì)超聲波電機(jī)相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，從超聲波電機(jī)定子設(shè)計(jì)著手，詳細(xì)介紹了超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī) 壓電陶瓷
Design of Traveling Wave Ultrasonic Motor
Abstract：Ultrasonic motor is a use of the inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic work of new concepts, new principles of motors. Very different from the traditional electromagnetic motor, the driving torque is not generated by the electromagnetic induction, which uses the piezoelectric effect to generate ultrasonic vibration of stator, through the friction between the stator and rotor to drive the rotor. Since the working principle of ultrasonic motors special, it has a lot of traditional electromagnetic motors can not match the superior performance, such as compact structure, low speed high torque, fast response, free from magnetic influence, power locking, can directly drive the load and so on. It is because of ultrasonic motor has many advantages and potential applications, become the world's a new frontier subject.
In this paper, a rotary traveling wave type ultrasonic motor for the study, designed the experimental prototype ultrasonic motor. The main content can be summarized as follows: The system sums up the history of the development of ultrasonic motor home and abroad and the importance of introducing the principle of ultrasonic motors, classification, characteristics and application prospects. In the theory of ultrasonic motors based on ultrasonic stator design from the start, ultrasonic motor described in detail the design and production process.
Key words: Ultrasonic Motor Piezoelectric ceramics
5
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表
學(xué)號(hào) 姓名 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)
評(píng)價(jià)項(xiàng)目
評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；
2.難度、份量是否適當(dāng)；
3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。
能力
1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；
3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；
4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；
5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。
論文
（設(shè)計(jì)）質(zhì)量
1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評(píng)
價(jià)
選題符合教學(xué)計(jì)劃要求，具有綜合訓(xùn)練的目的，具有文獻(xiàn)查閱的能力和計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，立記正確，記述充分，分析處理正確，有應(yīng)用價(jià)值，
同意進(jìn)行答辯。
評(píng)閱人：
2014年5月 28 日
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書
論文（設(shè)計(jì)）題目：超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)
學(xué)號(hào)： 姓名： 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師： 系主任： 劉伯希
一、主要內(nèi)容及基本要求
超聲波電機(jī)是國(guó)內(nèi)外日益受到重視的一種新型驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過查找相關(guān)文獻(xiàn)，熟悉其工作原理和運(yùn)行機(jī)理，結(jié)合本科所學(xué)機(jī)械各學(xué)科方面的知識(shí)，完成超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計(jì)。
主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面：1超聲波電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理。2定子諧振頻率的計(jì)算。3壓電陶瓷換能器的設(shè)計(jì)和制作。4定子的設(shè)計(jì)及制作。5轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及制作。6編寫設(shè)計(jì)說明書：設(shè)計(jì)說明書按設(shè)計(jì)程序編寫。
基本要求：學(xué)習(xí)查閱文獻(xiàn)，具備綜合歸納資料的能力；綜合運(yùn)用本科階段所學(xué)知識(shí)，分析與解決超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中所遇問題；并利用AutoCAD軟件繪制了其裝配圖和各個(gè)零件圖；通過翻譯3000字的外文資料獲取國(guó)外在該行業(yè)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)。
二、重點(diǎn)研究的問題
理解超聲波電機(jī)的工作原理和運(yùn)行機(jī)理，弄清其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，定子諧振頻率的計(jì)算，定子的設(shè)計(jì)及制作，轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及制作；理解超聲波壓電陶瓷和壓電振子的特性，弄清超聲波電機(jī)的振動(dòng)特性及動(dòng)力響應(yīng)特性；理解超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制及超聲波電機(jī)的分析與設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)一臺(tái)超聲波電機(jī)。
三、進(jìn)度安排
序號(hào)
各階段完成的內(nèi)容
完成時(shí)間
1
選題
第1周
2
查閱與收集資料
第2~5周
3
超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
第6~9周
4
完成所要求圖紙
第10~11周
5
完成設(shè)計(jì)說明書
第12~13周
6
進(jìn)行最后的修改
第14周
7
答辯
第15周
四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)
[1] 劉晉春，特種加工，第五版[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2008
[2] 史敬灼，超聲波電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制理論與技術(shù).北京:科學(xué)出版社.2011.10
[3] 胡敏強(qiáng)，金龍，顧菊平，超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì). 北京: 科學(xué)出版社.2005
[4] 姜楠，方光榮，劉俊標(biāo)，束娜. 國(guó)內(nèi)外超聲波電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的最新進(jìn)展. 微特電機(jī). 2005.9
[5] 趙淳生，對(duì)發(fā)展我國(guó)超聲電機(jī)技術(shù)的若干建議.微電機(jī).2006
[6] 胡敏強(qiáng)，超聲電動(dòng)機(jī)的研究及其應(yīng)用[J].微特電機(jī).2000
[7] 淮良貴，紀(jì)名剛，機(jī)械設(shè)計(jì),第六版[M].北京:高等教育出版社,1996
[8] 鄭凱，楊義勇，胡仁喜.Solid Edge應(yīng)用教程[M].清華大學(xué)出版社，2008.4
[9] 蘆亞萍，孟繁琴，袁云龍.超聲波電機(jī)研究現(xiàn)狀.微電機(jī).2005
[10] 楊明，闕沛文. 超聲電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)源的設(shè)計(jì)與分析. 壓電與聲光。
[11]?顧繩谷，電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)，第四版[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社.2007.10
[12]羅宗澤，羅圣國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].高等教育出版社，2006.5
畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書
題 目： 超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)
學(xué) 號(hào)：
姓 名：
指導(dǎo)教師：
完成日期：
湘潭大學(xué)興湘學(xué)院
目錄
第1章 緒論 3
1.1 超聲波電機(jī)的定義與發(fā)展歷史 3
1.2 超聲波電機(jī)的基本工作原理 5
1.3 超聲波電機(jī)的分類 6
1.4 超聲波電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用 6
1.5 超聲波電機(jī)技術(shù)的展望 7
第2章超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 8
2.1 橢圓運(yùn)動(dòng)的分析 8
2.2 駐波的產(chǎn)生及行波的合成 10
第3章 超聲波電機(jī)的理論計(jì)算與設(shè)計(jì) 13
3.1 定子諧振頻率的計(jì)算 13
3.2 壓電陶瓷換能器的設(shè)計(jì)和制作 16
3.2.1 壓電陶瓷的設(shè)計(jì) 16
3.2.2 壓電陶瓷材料的選用 17
3.2.3 壓電陶瓷的接線方式 17
3.3 定子的設(shè)計(jì)及制作 19
3.3.1 定子尺寸與行波超聲波電機(jī)輸出特性的關(guān)系 19
3.3.2 定子的內(nèi)外徑尺寸的選擇 21
3.3.3 定子的振動(dòng)模態(tài)的選擇 21
3.3.4 定子的齒形齒數(shù)設(shè)計(jì) 21
3.3.5 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
3.3.7定子材料的選擇 23
3.4 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及制作 24
3.4.1 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子的柔性要求 24
3.4.2 定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合 25
3.4. 摩擦層的設(shè)計(jì) 26
3.5 定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的總結(jié) 26
第4章 超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù) 27
第5章 超聲波電機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 30
第6章 全文總結(jié) 32
參考文獻(xiàn) 33
致謝 34
附錄 英文翻譯譯文 35
1
超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)
摘要：超聲波電機(jī)是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)工作的新概念、新原理電機(jī)。與傳統(tǒng)電磁型電機(jī)截然不同，其驅(qū)動(dòng)力矩并非由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，它利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)使定子產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，通過定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。由于超聲波電機(jī)特殊的工作原理，它具有很多傳統(tǒng)電磁電機(jī)無法比擬的優(yōu)越性能，如結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)速度快、不受磁場(chǎng)影響、斷電自鎖、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等。正是由于超聲波電機(jī)具有許多的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前世界范圍內(nèi)的一門新興前沿課題。
本文主要以超聲波電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)超聲波電機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。研究的主要內(nèi)容可概括如下：系統(tǒng)地總結(jié)國(guó)內(nèi)外超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史和重要意義，介紹了超聲波電機(jī)的工作原理、分類、特點(diǎn)及其應(yīng)用前景。在對(duì)超聲波電機(jī)相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，從超聲波電機(jī)定子設(shè)計(jì)著手，詳細(xì)介紹了超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)過程。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī) 壓電陶瓷
Design of Traveling Wave Ultrasonic Motor
Abstract：Ultrasonic motor is a use of the inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic work of new concepts, new principles of motors. Very different from the traditional electromagnetic motor, the driving torque is not generated by the electromagnetic induction, which uses the piezoelectric effect to generate ultrasonic vibration of stator, through the friction between the stator and rotor to drive the rotor. Since the working principle of ultrasonic motors special, it has a lot of traditional electromagnetic motors can not match the superior performance, such as compact structure, low speed high torque, fast response, free from magnetic influence, power locking, can directly drive the load and so on. It is because of ultrasonic motor has many advantages and potential applications, become the world's a new frontier subject.
In this paper, a rotary traveling wave type ultrasonic motor for the study, designed the experimental prototype ultrasonic motor. The main content can be summarized as follows: The system sums up the history of the development of ultrasonic motor home and abroad and the importance of introducing the principle of ultrasonic motors, classification, characteristics and application prospects. In the theory of ultrasonic motors based on ultrasonic stator design from the start, ultrasonic motor described in detail the design and production process.
Key words: Ultrasonic Motor Piezoelectric ceramics
第1章 緒論
本章主要介紹超聲波電機(jī)定義與發(fā)展歷史、基本工作原理、分類、特點(diǎn)及其應(yīng)用及對(duì)超聲波電機(jī)技術(shù)的應(yīng)用展望。
1.1 超聲波電機(jī)的定義與發(fā)展歷史
超聲波電機(jī)（Ultrasonic Motor，簡(jiǎn)稱USM）是一種新型的直接驅(qū)動(dòng)型微電機(jī)，其原理完全不同于傳統(tǒng)的電機(jī)，沒有繞組與磁路，不以電磁作用傳遞能量，因而有很多不同于傳統(tǒng)電機(jī)的特性。超聲波電機(jī)一種利用超聲波振動(dòng)能作為驅(qū)動(dòng)源的新原理電機(jī)，是電機(jī)制造、機(jī)械振動(dòng)學(xué)、摩擦學(xué)、功能材料、電子技術(shù)和自動(dòng)控制等學(xué)科綜合交叉發(fā)展的產(chǎn)物，是利用壓電材料的逆壓電效應(yīng),把電信號(hào)加到壓電陶瓷-金屬構(gòu)成的定子上,使定子表面的質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生一定軌跡的機(jī)械振動(dòng),驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的新型電機(jī)。由于定子的振動(dòng)頻率多數(shù)處在超聲頻范圍,所以被稱為超聲波電動(dòng)機(jī)。超聲波電機(jī)具有能量密度大、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)緊湊、低轉(zhuǎn)速、大力矩、不受電磁干擾、斷電自鎖等優(yōu)點(diǎn)。 在微型機(jī)械、機(jī)器人、精密儀器、家用電器、航空航天、汽車等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
USM是20世紀(jì)80年代隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展才備受重視并得到應(yīng)用的一種新型直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其發(fā)展史卻可追溯到20世紀(jì)40年代。20世紀(jì)40年代，人們就知道了超聲波電機(jī)的這個(gè)驅(qū)動(dòng)原理，然而由于當(dāng)時(shí)壓電陶瓷材料以及超聲波電機(jī)理論技術(shù)的滯后，超聲波電機(jī)只能是“空中樓閣”，沒有得以實(shí)現(xiàn)。一直到80年代初，具有高轉(zhuǎn)換效率的壓電材料出現(xiàn)以后，再加上電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，才逐步研制出各種各樣的超聲波電機(jī)。
超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史過程總結(jié)如下：
圖1.1 H.V.Barth 的超聲波電機(jī)
利用彈性振動(dòng)獲得動(dòng)力的嘗試是從鐘表開始的。1961年，英國(guó)的Bulova Watch Ltd鐘表 公司首次提出了用彈性體振動(dòng)能量作為驅(qū)動(dòng)力 的理論，并研制成音叉驅(qū)動(dòng)的手表，在國(guó)際上引起了轟動(dòng)。
1973年， IBM公司的H.V.Barth博士首先研制成功原理性超聲波電機(jī)，如圖1.1所示。該電機(jī)由一個(gè)轉(zhuǎn)子和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)振子構(gòu)成，兩個(gè)振子由PZT提供振動(dòng)，其前部壓置在轉(zhuǎn)子上，保持摩擦接觸。當(dāng)振子(1)激振時(shí)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，當(dāng)振子(2)激振時(shí)，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，原蘇聯(lián)的V.V.Lavrinenco等人也研制出幾乎與Barth具有相同原理的幾種超聲波電機(jī)，并給出了超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、低速大轉(zhuǎn)矩、單位質(zhì)量功率大、運(yùn)動(dòng)精確、能量轉(zhuǎn)換效率高等一些基本特性。1978年，前蘇聯(lián)的Vasiliev等成功地構(gòu)造了一種能夠驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的超聲波電機(jī)，如圖1.2所示。
圖1.2 前蘇聯(lián)的Vasiliev構(gòu)造的超聲波電機(jī)
這種電機(jī)使用兩個(gè)金屬塊夾持壓電元件結(jié)構(gòu)的超聲換能器，利用振動(dòng)片的縱向振動(dòng)及誘發(fā)的彎曲振動(dòng)，通過摩擦來使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)上不僅能夠降低了共振頻率，而且放大振幅。但由于在運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，電機(jī)的磨損和發(fā)熱嚴(yán)重，很難保持振動(dòng)片的恒幅振動(dòng)，故也未獲得實(shí)際應(yīng)用。使超聲波電動(dòng)機(jī)真正走上實(shí)用的是日本的指田年生，在1980年成功制造了一種振動(dòng)片型超聲波電動(dòng)機(jī)。所用振子是用螺栓壓緊的郎之萬（Langevin）振子，一種能工作在超聲領(lǐng)域的切割式振子。振子的前端面作縱向振動(dòng)，其上安裝楔形的振動(dòng)片，振動(dòng)片前端跟圓板狀的轉(zhuǎn)子接觸，前端的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)變形了的橢圓。這種超聲波電動(dòng)機(jī)具有高速性，無負(fù)荷速度是2000rpm；高效率，最大效率達(dá)60%；壽命短，因?yàn)檎駝?dòng)片和轉(zhuǎn)子之間近乎直角的接觸，兩者之間接觸和脫離瞬間的滑動(dòng)無法解決，因此產(chǎn)生的磨損使壽命較短。為了解決這個(gè)問題，日本的指田年生在1980年發(fā)明了一種振動(dòng)片型超聲波電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)的原理利用行波在有限彈性體內(nèi)傳播時(shí)表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的橢圓運(yùn)動(dòng)，行波型超聲波電動(dòng)機(jī)只需改變驅(qū)動(dòng)相位差即可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，而且定子、轉(zhuǎn)子之間是多點(diǎn)輪流接觸，磨擦很小。行波型超聲波電動(dòng)機(jī)具有良好的應(yīng)用前景，引起了眾多大公司和大學(xué)的興趣，爭(zhēng)先對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究和開發(fā)，從而使超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)入大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)用化開發(fā)階段。
1987年，佳能公司將其開發(fā)的圓環(huán)型行波超聲波電機(jī)正式應(yīng)用于EOS相機(jī)自動(dòng)調(diào)焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超聲波電機(jī)的商業(yè)應(yīng)用[3]。日本在超聲波電機(jī)的研究方面一直處于世界領(lǐng)先地位。它掌握著世界上大多數(shù)超聲波電機(jī)技術(shù)的發(fā)明專利。在日本，幾乎各知名大學(xué)和許多公司都對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行了研究和生產(chǎn)。環(huán)狀行波型和棒狀行波型電機(jī)已大批量生產(chǎn)，最近一種駐波型電機(jī)也已投入批量生產(chǎn)，主要用于工作時(shí)間短、精度高及某種特定功能的機(jī)器或領(lǐng)域中。日本公司將超聲波電機(jī)應(yīng)用于自動(dòng)門、風(fēng)扇、微動(dòng)臺(tái)、控制臺(tái)、家電產(chǎn)品中，進(jìn)一步開辟并擴(kuò)大其應(yīng)用市場(chǎng)[4]。
20世紀(jì)末和新世紀(jì)初，中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)和其他一些發(fā)達(dá)國(guó)家都開始了對(duì)超聲電機(jī)的研究。最近幾年來，除了日本之外，美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、中國(guó)、瑞士、韓國(guó)、土耳其和新加坡等都有超聲波電機(jī)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，在這些國(guó)家中，以美國(guó)發(fā)展得最快，應(yīng)用的領(lǐng)域也最廣[5]經(jīng)過十年的發(fā)展，美國(guó)許多單位都在進(jìn)行超聲波電機(jī)的研究，如麻省理工學(xué)院(MIT)、美國(guó)航空航天局(NASA)、噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL) ,Stanford, Berkeley, Wisconsin, Penn. State和 DARPA(Defense Advanced Research ProjectAgency)等[6]。美國(guó)某些公司生產(chǎn)的超聲波電機(jī)產(chǎn)品已經(jīng)在航空航天、半導(dǎo)體工業(yè)、MEMS、和Bio MEMS等領(lǐng)域先后得到了應(yīng)用。美國(guó)為了發(fā)展空間的反導(dǎo)彈、反衛(wèi)星及情報(bào)偵察系統(tǒng)，近幾年將要發(fā)射100個(gè)以上的納米衛(wèi)星(質(zhì)量7-8kg)。這種納米衛(wèi)星的核心技術(shù)之一是微機(jī)械和微傳感系統(tǒng)，包括微傳感/遙感器、微陀螺和微驅(qū)動(dòng)器。為此，美國(guó)正加速發(fā)展微型超聲電機(jī)(直徑僅1-2mm）。
1.2 超聲波電機(jī)的基本工作原理
超聲波電機(jī)一般由高頻輸入電源、定子（壓電陶瓷和彈性體）和轉(zhuǎn)子（移動(dòng)體和耐磨材料)組成。在壓電陶瓷上加頻率為幾十千赫的高頻交流電源，利用逆壓電效應(yīng)即電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生幾十千赫的超聲波振動(dòng)。然后，將這種振動(dòng)通過彈性體和移動(dòng)體之間的摩擦力變換成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)，或者直接用壓電振子產(chǎn)生彎曲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1.3所示為超聲波電機(jī)的工作基本原理示意圖。
彈性體
定子 壓電陶瓷
機(jī)械輸出
電信號(hào)輸入 高頻電源
移動(dòng)體
耐磨材料 轉(zhuǎn)子
圖1.3 超聲波電機(jī)的基本原理示意圖
由圖可知，超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)原理。高頻電源產(chǎn)生信號(hào)的頻率和電機(jī)的固有頻率一致，形成共振，產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)。這種振動(dòng)借助定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合來驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。這就是超聲波電機(jī)的基本工作原理。其能量轉(zhuǎn)換可分為以下兩個(gè)過程：①高頻交流通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換為定子的機(jī)械能；②定轉(zhuǎn)子之間通過摩擦耦合把定子的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械能。
1.3 超聲波電機(jī)的分類
超聲波電機(jī)利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及彈性體的機(jī)械振動(dòng)，通過轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦力來驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。由于壓電陶瓷的極化形式多樣，彈性體的振動(dòng)模式也具有多樣性，可采用不同的振動(dòng)模態(tài)來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，因而可以研制出多種不同結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)，如環(huán)型或盤型、直線型、球型、彎扭耦合型、縱扭復(fù)合型、非接觸型及自校正型等等。一般按照使用的驅(qū)動(dòng)方式的不同分為行波方式，駐波方式和電致伸縮公轉(zhuǎn)子方式三種。根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)的形式不同又可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。根據(jù)驅(qū)動(dòng)位移的量級(jí)也可以分為一般的超聲波電機(jī)和微動(dòng)超聲波電機(jī)（微米級(jí)和亞微米級(jí)的驅(qū)動(dòng)位移）。而根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)自由度的個(gè)數(shù)不同可分為單自由度與多自由度。另外還可以根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子的接觸形式分為接觸式與非接觸式。
以上從不同的角度對(duì)超聲波電機(jī)做了整理和分類，具體分類情況可見表1-1。從上面的分類中可以知道超聲波電機(jī)可以有很多種不同的形態(tài)。但是，從目前的搜集到的各國(guó)研究資料可以發(fā)現(xiàn)，回旋型超聲波電機(jī)是所有類型中結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，用途最廣泛的一種，也是最有發(fā)展前途的一種。最常見的有駐波型超聲波電機(jī)和行波型超聲波電機(jī)。駐波型超聲波電機(jī)的特點(diǎn)是變換效率高，但旋轉(zhuǎn)的方向一定，結(jié)構(gòu)尺寸大。行波型超聲波電機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸小，旋轉(zhuǎn)方向可以改變，速度和位置容易控制。
表1-1 超聲波電機(jī)的分類情況
按驅(qū)動(dòng)方式分
按定轉(zhuǎn)子力傳遞接觸方式分
按運(yùn)動(dòng)方式分
按自由度分
超聲波電機(jī)
行波型
單一模態(tài)型
接觸
連續(xù)的局部面接觸
直線運(yùn)動(dòng)
單自由度
復(fù)合模態(tài)型
連續(xù)的點(diǎn)（線）接觸
模態(tài)轉(zhuǎn)換型
斷續(xù)的整個(gè)面接觸
駐波型
單一模態(tài)型
斷續(xù)的點(diǎn)（線）接觸
旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
多自由度
復(fù)合模態(tài)型
非接觸
空氣
單一模態(tài)型
液體
1.4 超聲波電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用
超聲波電機(jī)是近二十年來發(fā)展起來的一種新型電機(jī)。它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，沒有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)來轉(zhuǎn)換能量。與電磁式電機(jī)相比，超聲波電機(jī)具有如下的幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：1、低速、大轉(zhuǎn)矩；2、體積小、重量輕；3、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、控制特性好；4、無電磁感應(yīng)影響；5、停止時(shí)具有保持力矩；6、斷電自鎖；7、運(yùn)行無噪音；8、形式靈活，設(shè)計(jì)自由度大；9、可在很低的電壓下工作；10、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)。
超聲波電機(jī)以其新穎的工作原理和獨(dú)有的性能特點(diǎn)，引起人們的廣泛的注意。它有著很好的應(yīng)用前景。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到航空航天、汽車制造、生物工程、機(jī)器人、儀器儀表、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。從目前的研究情況來看，超聲波電機(jī)產(chǎn)品可用于照相機(jī)的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器；航空航天領(lǐng)域自動(dòng)駕駛儀伺服驅(qū)動(dòng)器；機(jī)器人或微型機(jī)械自動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器；高級(jí)轎車門窗和座椅靠頭調(diào)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置；窗簾或百葉窗自動(dòng)升降裝置；CD光盤唱頭驅(qū)動(dòng)裝置；精密儀器儀表、精確定位裝置；醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如人造心臟的驅(qū)動(dòng)器、人工關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器；強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境條件下設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置，如未來的磁浮火車；不希望驅(qū)動(dòng)裝置產(chǎn)生磁場(chǎng)的場(chǎng)合，如磁通門的自動(dòng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)等?？梢灶A(yù)言，隨著超聲波電機(jī)在工業(yè)界的成功應(yīng)用，將會(huì)發(fā)生一場(chǎng)新的技術(shù)革命。
1.5 超聲波電機(jī)技術(shù)的展望
超聲波電機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛的應(yīng)用。21世紀(jì)將是超聲波電機(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。
超聲波電機(jī)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，有些領(lǐng)域已有成功應(yīng)用。如照相機(jī)調(diào)焦、太空機(jī)器人中的應(yīng)用、精密定位裝置和隨動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用、民用裝置中的應(yīng)用、閥門控制、掃描電子顯微鏡試料架的驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)、核磁共振裝置中的應(yīng)用、汽車專用電器中的應(yīng)用、微位移超聲波電機(jī)（壓電直線電機(jī)）。
在未來發(fā)展中，為了發(fā)展我國(guó)人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭、飛機(jī)、機(jī)器人、微型機(jī)械、汽車、磁浮列車以及其他精密儀器，將需要大量的、高性能的超聲波電機(jī)。超聲波電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，必將對(duì)我國(guó)國(guó)防和其他國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門起著重大作用。
超聲波電機(jī)作為一種新型驅(qū)動(dòng)器，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。超聲波電機(jī)正經(jīng)歷一個(gè)從研究開發(fā)向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)折時(shí)期，相信經(jīng)過工業(yè)化、商品化研制，超聲波電機(jī)將會(huì)使整個(gè)機(jī)械、電子工業(yè)、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、汽車、航空航天、精密儀器儀表、伺服
控制和人類生活產(chǎn)生一次巨大的變革。
第2章 超聲波電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理
超聲波電機(jī)是借助于行波的周向傳播來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的。行波使定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面質(zhì)點(diǎn)沿橢圓軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，利用定子與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，這是超聲波電機(jī)傳動(dòng)的最基本的工作原理，如圖2.1所示。利用這個(gè)基本原理，人們制造出了各式各樣的行波型超聲波電機(jī)，如Panasonic公司的盤形行波型超聲波電機(jī)；Canon公司的環(huán)形行波型超聲波電機(jī)。行波超聲波電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子及驅(qū)動(dòng)與控制裝置組成。
2.1 橢圓運(yùn)動(dòng)的分析
圖2.2 定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析圖
圖2.1 行波型超聲波電機(jī)的工作原理圖
行波型超聲波電機(jī)定子上的壓電陶瓷在二相交變電壓作用下，在彈性體內(nèi)形成兩個(gè)時(shí)空相差為90°的彎曲振動(dòng)駐波，進(jìn)而在彈性體定子內(nèi)合成一個(gè)沿圓環(huán)周向旋轉(zhuǎn)的彎曲振動(dòng)行波，行波使彈性體與運(yùn)動(dòng)體相接觸的表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)。根據(jù)參考文獻(xiàn)將圓環(huán)展開成直梁，定子內(nèi)的彎曲行波如圖2.2所示。設(shè)彈性體的厚度為h，行波波長(zhǎng)為，L為定子周長(zhǎng)，n為定子環(huán)上駐波的波數(shù)，彎曲振動(dòng)的橫向位移振幅為，角頻率為ω，那么在彈性體內(nèi)中性層的行波方程為
(2-1)
若把彈性體表面上任一點(diǎn)設(shè)為，未彎曲時(shí)的位置設(shè)為。當(dāng)彎曲角為時(shí)，從到的厚度方向的橫向位移為
(2-2)
因?yàn)閺澢駝?dòng)的振幅遠(yuǎn)比彎曲振動(dòng)的波長(zhǎng)小，彎曲角也很小，所以橫向位移可近似表示為
(2-3)
同樣，當(dāng)彎曲角為時(shí)，從到的縱向位移為
(2-4)
因?yàn)閺澢强捎孟率奖硎?
(2-5)
故縱向位移近似于
(2-6)
因此，橫向位移與縱向位移間關(guān)系式為
(2-7)
可見，上式為二次曲線橢圓軌跡方程。這就證明了彎曲行波是可以形成質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的。進(jìn)一步分析可知它沿橢圓軌跡的逆時(shí)針方向運(yùn)動(dòng)，橢圓的短軸和長(zhǎng)軸之比為。定子表面質(zhì)點(diǎn)的縱向速度為
(2-8)
式中負(fù)號(hào)表示定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與行波傳播方向相反。
當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子在行波波峰處相接觸，即，若轉(zhuǎn)子與定子間無滑動(dòng)，轉(zhuǎn)子就獲得定子表面質(zhì)點(diǎn)波峰處的縱向速度。其轉(zhuǎn)子速度為
(2-9)
由此可見，旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機(jī)是利用定子行波波峰處質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)的縱向速度使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度即為定子表面質(zhì)點(diǎn)的縱向速度。
通過對(duì)上述彎曲行波上質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)的分析，可以得到這樣的結(jié)論：彎曲行波使彈性體上的質(zhì)點(diǎn)有一個(gè)橫向振動(dòng)分量，即在行波中存在著橫向振動(dòng)波，且與行波的相角差為90o，才形成了質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。但這個(gè)橫向振動(dòng)波的振幅較小，這對(duì)于橢圓運(yùn)動(dòng)的合成不利，會(huì)直接影響這種行波電機(jī)的輸出特性，所以提高橫向振動(dòng)振幅是很關(guān)鍵的問題。在以后的分析中，將會(huì)提出解決這個(gè)問題的方法。
(c)
(a)
圖2.3 駐波的形成
壓電陶瓷
彈性體
壓電陶瓷的變形
壓電陶瓷的變形
電源
電源
(b)
壓電陶瓷
彈性體
2.2 駐波的產(chǎn)生及行波的合成
如圖2.3所示，將極化方向相反的壓電陶瓷依次粘貼于彈性體上，當(dāng)在壓電陶瓷片上加直流電壓時(shí)，壓電陶瓷片會(huì)產(chǎn)生交替伸縮變形，如圖(a)所示；如果將直流電壓反相時(shí)，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生相反的交替伸縮變形，如圖(b)所示；如果在其上加交變電壓，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生交變伸縮變形，結(jié)果可在彈性體內(nèi)產(chǎn)生駐波，如圖(c)所示。旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機(jī)就是利用兩組這樣的壓電陶瓷片在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)駐波，這兩駐波疊加形成一彎曲行波。
如果在A區(qū)域壓電陶瓷上加余弦交變電壓，交變電場(chǎng)可使壓電陶瓷按不同的極化方向產(chǎn)生交替的伸、縮變形，結(jié)果在彈性體內(nèi)形成駐波，其駐波方程為
（2-10）
式中，，是駐波的振幅，是定子環(huán)等效梁的長(zhǎng)度，為定子環(huán)上一周的駐波數(shù)，是交變電壓的角頻率，是交變電壓的初相角，為A相激勵(lì)電壓與彈性體響應(yīng)間的相位差，與定子阻尼有關(guān)，而則是交變電壓的頻率。
類似的，在B區(qū)域上加正弦電壓，得到另一駐波方程。若該駐波與余弦交變電壓在彈性體內(nèi)所產(chǎn)生的駐波在空間上相差四分之一波長(zhǎng)，則其駐波方程
(2-11)
式中，表示B相激勵(lì)電壓與彈性體響應(yīng)間的相位差，其余符號(hào)意義與式（2-12）相同。
利用線性波的疊加原理，將兩駐波合成為一個(gè)沿定子圓環(huán)周向運(yùn)動(dòng)的行波，其方程為
(2-12)
如果，，那么
(2-13)
如上所述，在兩交變電壓作用下，形成了兩個(gè)在時(shí)間上相差相角，空間上相差四分之一波長(zhǎng)的彎曲振動(dòng)的駐波，進(jìn)而合成了一個(gè)沿定子圓環(huán)周向旋轉(zhuǎn)的彎曲振動(dòng)行波，行波使定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面質(zhì)點(diǎn)沿橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)，而定子與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力就推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。
同理，如欲使電機(jī)轉(zhuǎn)子朝相反方向旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)當(dāng)在A區(qū)域壓電陶瓷上施加余弦電壓，在B區(qū)域上加正弦電壓，電壓形成的駐波方程為
(2-14)
這樣，兩駐波合成的行波方程為
(2-15)
表達(dá)式（2-15）所表示方程為沿x軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的行波，這也就意味著此時(shí)電機(jī)將朝反方向旋轉(zhuǎn)。
由以上的分析可以得出超聲波電機(jī)的基本特征是：
1、定子與轉(zhuǎn)子相接觸表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，是由定子彈性體的行波振動(dòng)形成的。一旦定子制作完畢，工作時(shí)該橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)軸和短軸一般不能獨(dú)立地調(diào)整。
2、電機(jī)工作時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子始終保持接觸，不分離。
3、定子與轉(zhuǎn)子的接觸位置沿接觸面連續(xù)變化。
4、電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸小，旋轉(zhuǎn)方向可以改變，速度和位置容易控制。
第3章 超聲波電機(jī)的理論計(jì)算與設(shè)計(jì)
超聲波電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)不同，還未建立起系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法。超聲波電機(jī)的關(guān)鍵部件是定子，定子的諧振頻率與驅(qū)動(dòng)電源是否相匹配是電機(jī)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。本章從定子的諧振頻率的計(jì)算出發(fā)，詳細(xì)介紹了超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)過程，同時(shí)分析了電機(jī)的加工工藝，設(shè)計(jì)了直徑30mm的樣機(jī)圖。設(shè)計(jì)中，以提高電機(jī)的性能為優(yōu)化的目標(biāo)，我們還預(yù)先設(shè)定一些結(jié)構(gòu)參數(shù)，而將定子彈性體厚度及壓電陶瓷的厚度作為設(shè)計(jì)變量。
3.1 定子諧振頻率的計(jì)算
超聲波電機(jī)的定子是由彈性體與壓電陶瓷粘接在一起的。正因?yàn)槿绱耍诜治鲂胁ǔ暡姍C(jī)的定子振動(dòng)的諧振頻率前，先作如下假設(shè)：1.認(rèn)為彈性體的變形遵守虎克定律，且振動(dòng)是微幅的，系統(tǒng)為線性的。2.把定子環(huán)展成一根等直梁考慮，忽略定子環(huán)的曲率效應(yīng)。3.忽略由于定子環(huán)表面的齒槽而產(chǎn)生的非正弦振動(dòng)分量，認(rèn)為其振動(dòng)近似為正弦波。4.忽略定子環(huán)振動(dòng)時(shí)引起的徑向位移。
圖3.1 定子環(huán)的等效梁模型
(a)
(b)
(c)
在作定子環(huán)的等效梁分析時(shí)可以分兩步進(jìn)行。首先，把有齒槽的彈性體梁等效為彈性體等直梁，等效的原則是按等效前后的動(dòng)能和勢(shì)能分別相等，且等效前后梁的高度不變；然后再將壓電陶瓷片和彈性體組合而成的定子等效為復(fù)合梁。定子環(huán)的等效梁模型如圖3.1所示。其中，圖(a)為梁的結(jié)構(gòu)，為槽的寬度，為齒的寬度，為齒的高度，為未開槽的彈性體的高度，為整個(gè)彈性體的厚度，為壓電陶瓷片的厚度，為彈性梁的寬度。圖(b)為等效前的彈性體梁，圖(c)為等效前的復(fù)合梁。
設(shè)彈性梁的駐波波動(dòng)方程為：
(3-1)
上式中：——駐波軸向位移
——定子環(huán)上駐波的波數(shù)
——定子環(huán)平均直徑上的周長(zhǎng)
相應(yīng)的變分為
(3-2)
則慣性力在整個(gè)定子梁上所作的虛功根據(jù)參考文獻(xiàn)為
(3-3)
上式中：
——等效前的彈性體的材料密度；
——等效前彈性體的截面積；
——等效前后梁的寬度
把和式（3-1）和（3-2）代入式（3-3）并積分，得
(3-4)
其中根據(jù)參考文獻(xiàn)
(3-5)
為等效密度系數(shù)。
等效成無齒槽的彈性梁，則截面積，此時(shí)慣性力在整個(gè)定子梁上所作的虛功為
(3-6)
可以認(rèn)為等效前、后慣性力所作的虛功相等，由式（3-4）和（3-6）可得等效密度為
(3-7)
由于定子環(huán)彎曲振動(dòng)時(shí)對(duì)齒的變形影響很小，因此振動(dòng)時(shí)齒的應(yīng)變能可以忽略不計(jì)，此時(shí)截面慣性矩根據(jù)參考文獻(xiàn)可表示為
(3-8)
彈性梁由于彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變能為
(3-9)
其中
——等效前的彈性體彈性模量
——等效彈性模量系數(shù)，
同理可得等效彈性模量為
(3-10)
這時(shí)，有齒槽的彈性梁已經(jīng)等效為高度為的彈性等直梁了。進(jìn)一步按圖3-1中的圖(c)，把定子環(huán)等效為復(fù)合梁。
首先要確定中性層和中性軸的位置。由復(fù)合梁的彎曲理論可知，在中性層上所有正應(yīng)力為零。由此可以確定中性層及中性軸的位置。設(shè)復(fù)合梁上表面距中性軸的距離為h，在梁截面上只有彎矩而沒有軸力，因此有
(3-11)
其中根據(jù)參考文獻(xiàn)
(3-12) (3-13)
、——彈性體等效梁和壓電陶瓷片的正應(yīng)力
、——彈性體等效梁和壓電陶瓷片的應(yīng)變
——壓電陶瓷片的楊氏模量
——中性層彎曲后的曲率
——截面任一點(diǎn)的軸向座標(biāo)
將式（3-12）、（3-13）代入式（3-11），可得
(3-14)
其中，為壓電陶瓷片的寬度。
中性層的位置一旦確定，復(fù)合梁的彈性模量和截面慣性矩亦可確定
(3-15)
(3-16)
其中
根據(jù)參考文獻(xiàn)復(fù)合梁的平均密度和截面積為
(3-17)
(3-18)
由此根據(jù)參考文獻(xiàn)可得復(fù)合梁的固有頻率計(jì)算公式為
(3-19)
由式(3-19)就可以求出定子的諧振頻率。由上式可知，定子的諧振頻率與定子半徑二次方成反比，與定子上波數(shù)的平方成正比，同時(shí)定子的諧振頻率還與定子所用的材料特性、定子環(huán)的截面積有關(guān)。
3.2 壓電陶瓷換能器的設(shè)計(jì)和制作
3.2.1 壓電陶瓷的設(shè)計(jì)
圖3.2 壓電體的分極結(jié)構(gòu)
由前面對(duì)行波型超聲波電機(jī)運(yùn)行機(jī)理的分析可知，兩列在時(shí)間上相差90o，空間上相差1/4波長(zhǎng)的駐波可合成行波。如圖3.2所示為壓電體的分
級(jí)結(jié)構(gòu)?！埃薄ⅰ埃碧?hào)表示極化方向，定子上的環(huán)形壓電陶瓷片按一定規(guī)則分割極化后分為A、B兩相區(qū)，相鄰兩級(jí)空間排列相差π/2（1/4波長(zhǎng)），并且分別受到在時(shí)間上也相差π/2的高頻電源的激勵(lì)（E1和E2）。當(dāng)激勵(lì)電源的頻率等于定子的固有頻率時(shí)，定子（振動(dòng)體）產(chǎn)生共振，兩區(qū)間壓電陶瓷所激發(fā)的波相疊加，在電機(jī)定子中產(chǎn)生沿圓周方向的合成彎曲行波，推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)方向與行波的傳播方向相反。倘若改變所施加激勵(lì)電源電壓的符號(hào)，可以使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，十分方便。激勵(lì)電源可以為正弦波或方波。
圖3.2中，GND段為接地，作為A區(qū)和B區(qū)的公共地，S段為用于將兩駐波合成為一個(gè)行波，也可作為控制和測(cè)量用反饋信號(hào)的傳感器。另外，A、B兩相區(qū)在空間對(duì)稱排列，而且每相產(chǎn)生的駐波都在圓環(huán)內(nèi)形成相同的整數(shù)個(gè)波，即稱為波數(shù)，圖3.2中，波數(shù)n=9。
對(duì)于壓電陶瓷片的厚度，它決定了在一定電壓下是否能夠起振，根據(jù)參考文獻(xiàn)如果壓電陶瓷片太厚，大于1.5mm，則在通常電壓情況下，不易起振。如果太薄，小于0.3mm，則在高頻諧振條件下，由于形變過大而容易發(fā)生斷裂，而且加大加工難度，在樣機(jī)研制中不易實(shí)現(xiàn)。另外，壓電陶瓷片的厚度對(duì)壓電振子的固有諧振頻率影響較大，通常我們?nèi)∑浜穸葹?.5~1.5mm之間，本論文樣機(jī)的壓電陶瓷片厚度取0.5mm。
3.2.2 壓電陶瓷材料的選用
壓電陶瓷作為超聲波電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的媒介，它起著為超聲波電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)力的重要作用，質(zhì)量的好壞直接影響電機(jī)的性能。因此，壓電陶瓷片材料必須滿足： 1、介電損耗小，一般小于1%;2、機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率高、壓電常數(shù)大;3、動(dòng)態(tài)抗張強(qiáng)度大;4、性能穩(wěn)定;5、居里溫度高。在具體選用壓電材料時(shí)，需要綜合考慮材料的這些性能參數(shù)?；谝陨系目紤]，本文中選擇保定天一代號(hào)為TY-8的壓電陶瓷材料，它的，，，居里溫度C?？梢?，它的性能比較符合上面所提出的要求。
3.2.3 壓電陶瓷的接線方式
按照行波產(chǎn)生的機(jī)理，本文采用的環(huán)形壓電陶瓷片的接線方式主要有下面三種不同的連線方式：
1.如圖3.3（a）所示，將兩片壓電陶瓷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90°的交流電壓，這樣兩個(gè)駐波合成為行波。
2.如圖3.3（b）所示，在一片壓電陶瓷上借助于極化方法的不同將壓電陶瓷分成兩個(gè)部分，兩部分在空間上相差。在兩部分分別施加時(shí)間上相差
90°的交流電壓，這樣兩部分分別產(chǎn)生的駐波同樣可以疊加成行波。
3.在一片壓電陶瓷上還可以將壓電陶瓷按圖3.3（c）所示的方式極化、接線，也可以形成時(shí)間上和空間上分別相差90°的駐波信號(hào)，從而在彈性體的表面形成行波。
在綜合考慮以上三種接線方法后，結(jié)合實(shí)際壓電陶瓷片的粘接問題。本文選擇了第二種接線方法，如圖3.3（b）。在圖中區(qū)域?yàn)樾胁ê铣蓞^(qū)，此區(qū)域利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)可以檢測(cè)到壓電陶瓷的振動(dòng)情況，可將檢測(cè)到的信號(hào)作為電機(jī)控制的反饋信號(hào)。
(a)
(b)
(c)
圖3.3 行波型超聲波電機(jī)的壓電陶瓷片三種接線方式
3.3 定子的設(shè)計(jì)及制作
定子彈性體是超聲波電機(jī)中最重要的部件，它相當(dāng)于一個(gè)振動(dòng)放大機(jī)構(gòu)，可以對(duì)壓電陶瓷所產(chǎn)生的微小振動(dòng)進(jìn)行放大，獲得較大的振動(dòng)幅度，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。行波超聲波電機(jī)的主要性能取決于定子的振動(dòng)特性，因而定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在整個(gè)樣機(jī)設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。定子彈性體設(shè)計(jì)主要包括定子尺寸的選擇、振動(dòng)模態(tài)設(shè)計(jì)、定子厚度設(shè)計(jì)、齒形齒數(shù)設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。
3.3.1 定子尺寸與行波超聲波電機(jī)輸出特性的關(guān)系
超聲波電機(jī)的輸出特性是指輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在同一直徑前提下，因所選用的壓電材料不同，彈性體材料不同，截面尺寸不同，以及加工工藝所造成的換能系數(shù)不同，電機(jī)的輸出特性而有所不同。因此，很有必要對(duì)定子的外徑與行波超聲波電機(jī)輸出特性之間的關(guān)系做一個(gè)研究。
1．定子彈性體外徑與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系
在理想接觸條件下，根據(jù)參考文獻(xiàn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為：
或 (3-20)
圖3.4 定子外徑與電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
200
300
100
經(jīng)分析，在同一波數(shù)（）前提下，外徑與波長(zhǎng)成正比關(guān)系，諧振頻率與波長(zhǎng)成二次反比關(guān)系（），行波波峰值與波長(zhǎng)成三次正比關(guān)系（）。綜合考慮上述各項(xiàng)因素，可得在同一波數(shù)條件下，超聲波電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與電機(jī)外徑成一次反比關(guān)系，即。如圖3.4所示。由圖中可知，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速隨著定子外徑的增加而減少。
2．定子彈性體外徑與電機(jī)輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系
設(shè)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為，定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦力為，施加在定子與轉(zhuǎn)子間的正壓力為，滑動(dòng)摩擦系數(shù)為，定子與轉(zhuǎn)子間的接觸半徑為，定子上的波峰數(shù)（波數(shù)）為，則可以得到超聲波電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為
(3-21)
其中定轉(zhuǎn)子之間的正壓力。超聲波電機(jī)的輸出功率表達(dá)式為
(3-22)
圖3.5 定子外徑與電機(jī)輸出功率的關(guān)系
20
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
10
由于電機(jī)的轉(zhuǎn)速與直徑成一次反比，所以輸出功率主要取決于定子表面的壓力。由參考文獻(xiàn)給出
(3-23)
上式中為與材料特性、電場(chǎng)特性有關(guān)的常數(shù)。
用與上述相同的分析方法，可得出電機(jī)輸出功率與直徑成正比，輸出轉(zhuǎn)矩與二次直徑成正比，即，。如圖3.5所示。由圖中可知，電機(jī)的輸出功率隨著定子外徑的增加而增加。
3.3.2 定子的內(nèi)外徑尺寸的選擇
由前面的討論可以知道定子的直徑和超聲波電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、輸出功率成一定的比例關(guān)系，所以可以根據(jù)超聲波電機(jī)的輸出特性要求來選擇定子的尺寸。但是我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)過程中，通常定子的內(nèi)外徑和壓電陶瓷的內(nèi)外徑相一致，因而可以根據(jù)壓電陶瓷的內(nèi)耗大小來確定定子的內(nèi)徑。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d為外徑D的0.7左右。考慮到實(shí)際中壓電陶瓷的加工的限制，定子的直徑一般不大于100m，也不小于10m在實(shí)際生產(chǎn)中，正如傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計(jì)那樣，往往希望定子的外形尺寸是規(guī)約過的，所以定子外徑尺寸可選擇0或5結(jié)尾的尺寸規(guī)格。本文綜合考慮以上的因素選擇和設(shè)計(jì)了定子的外徑為，內(nèi)徑為。
3.3.3 定子的振動(dòng)模態(tài)的選擇
行波型超聲波電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)的選擇要遵從以下兩個(gè)原則:一是定子驅(qū)動(dòng)的對(duì)稱性，這決定了電機(jī)的振動(dòng)模態(tài)必須為奇數(shù);二是定子的振動(dòng)頻率必須大于
ZOHkz，使之工作在超聲頻段。因?yàn)檎駝?dòng)模態(tài)用于模擬仿真，在這里不多做說明。只是一般在選擇上，在材料相同的情況下，大尺寸電機(jī)由于重量較大，其模態(tài)頻率偏低，因此可以選用高階模態(tài)，適當(dāng)提高電機(jī)的諧振頻率，如n取9，11等值;尺寸小的電機(jī)的模態(tài)頻率偏高些，可以選用低階模態(tài)適當(dāng)降低諧振頻率，如n取3，5等值，本文初選n=3
3.3.4 定子的齒形齒數(shù)設(shè)計(jì)
行波型超聲波電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速關(guān)鍵取決于定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，該橢圓運(yùn)動(dòng)不僅與激勵(lì)電壓、壓電陶瓷材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與定子彈性體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。所以，需要采取措施放大橢圓運(yùn)動(dòng)。在定子結(jié)構(gòu)上采取何種措施，來放大該橢圓運(yùn)動(dòng)，特別是放大平行于定子表面質(zhì)點(diǎn)的水平位移，即橫向振幅，是改善超聲波電機(jī)輸出特性的一個(gè)重要措施。定子上齒槽的作用是放大定子表面振動(dòng)的振幅，使轉(zhuǎn)子獲得較大的輸出能量。因此，在定子的接觸面采用齒槽結(jié)構(gòu)。根據(jù)參考文獻(xiàn)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算下列數(shù)據(jù)：
1：齒槽寬度，的確定主要與加工刀厚度具有關(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，一般取齒槽寬為0.4一0.6mm范圍較為合適。在本文中，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要，選擇齒槽寬為0.6mm。
2：齒數(shù)N的選擇與振動(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，最好取齒數(shù)為振動(dòng)模態(tài)數(shù)的整數(shù)倍。另外還需要確定開槽的數(shù)目，如果齒槽數(shù)N是節(jié)徑n的4或8倍數(shù)，并且沿圓周均勻分布，那么特征頻率將不分離，這樣就會(huì)取得比較好的振動(dòng)效果。齒數(shù)太多不僅會(huì)增加加工的難度，還將會(huì)降低齒的剛度。對(duì)于振動(dòng)模態(tài)為3，直徑為30mm的超聲波電機(jī)，選擇齒數(shù)為36，這樣便于分度加工。齒數(shù)太多不僅會(huì)增加加工的難度，還會(huì)降低齒的剛度。
3：一般情況下，我們認(rèn)為定子齒的寬度w遠(yuǎn)小于定子行波波長(zhǎng)兄，在定子內(nèi)外徑尺寸、齒數(shù)和槽寬都確定后，齒寬也就唯一確定了，即:
根據(jù)前面的數(shù)據(jù)，=15mm；=10mm；N=36；=0.6mm代入上式得；w=1.5mm
4: 電機(jī)的齒高h(yuǎn)，有個(gè)最佳值，齒高太大，定子的諧振頻率降低，定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)滑動(dòng)和磨損增大，輸出力矩降低，且容易產(chǎn)生噪聲;齒高太低，齒對(duì)橢圓運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)幅值放大作用降低，轉(zhuǎn)子的輸出速度會(huì)受到影響。研究證明，當(dāng)齒高滿足:根據(jù)參考文獻(xiàn)時(shí)，其中h定子厚度，此時(shí)，定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)滑動(dòng)和損耗最小。
3.3.5 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的超聲波電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。這種電機(jī)定子在定子環(huán)內(nèi)圈有一段比較薄的支
撐板，它可以達(dá)到徑向隔振的作用，而且可以便于
超聲波電機(jī)的固定。由于固定板是固定在機(jī)殼上的，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，定子支撐的設(shè)置又可以減少固
定板的約束影響，大大減小電機(jī)徑向彎曲繞度。 圖3.6 定子的結(jié)構(gòu)圖 這種做法可以在轉(zhuǎn)子上加有較大壓力，以得到較大的輸出力矩。行波型超聲波電機(jī)定子支撐部分與振動(dòng)圓環(huán)部分的剖面結(jié)構(gòu)如圖3.7所示，h表示定子支撐中心線到定子底端距離，t表示定子支撐厚度，w表示定子支撐寬度。定子的支撐部分設(shè)計(jì)的厚度一般選擇能夠滿足定子的支撐強(qiáng)度即可，可以選在t=0.5~1mm之間選擇，支撐位置在定子的中間位置。
如圖3.7所示，為了裝配的需要，在定子的下面設(shè)計(jì)了一個(gè)小凸臺(tái)，上面有三個(gè)定位孔，在裝配的時(shí)候用內(nèi)六角螺栓將定子固定超聲波電機(jī)底座上。定子彈性體的加工要注意關(guān)鍵尺寸的精度。為了保證定子的對(duì)稱性其表征振動(dòng)體厚度的兩個(gè)平面間的平行度應(yīng)在3μｍ以上。由于定子齒面和轉(zhuǎn)子相壓產(chǎn)生摩擦幅，所以彈性體表面加工的時(shí)候要求精度比較高，要研磨。下面需要粘貼壓電陶瓷，在加工下表面的時(shí)候也要磨削。同時(shí)，為保證整機(jī)的裝配精度，定子與底板的接觸面的平面度和粗糙度要求也比較高
圖3.7 定子的截面圖
3.3.6 定子的結(jié)構(gòu)參數(shù)
對(duì)行波型超聲波電動(dòng)機(jī)而言，定子的結(jié)構(gòu)是影響行波型超聲波電機(jī)性能的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)中，本文預(yù)先設(shè)定一些結(jié)構(gòu)參數(shù)，如定子的外徑、定子的內(nèi)徑，并參考了一些其他的設(shè)計(jì)，最終本文所設(shè)計(jì)的超聲波電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3-1所示。
表3-1 行波型超聲波電機(jī)定子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)
結(jié)構(gòu)參數(shù)
TRUSM30
定子外徑(D)
30mm
定子內(nèi)徑(d)
20mm
定子齒數(shù)(N)
36個(gè)
齒的高度(h0)
2.0mm
支撐厚度(t)
1mm
彈性體厚度(H)
3.5mm
壓電體厚度(h)
0.5mm
厚度比值(h /H)
1:7
3.3.7定子材料的選擇
由于定子需要與轉(zhuǎn)子緊密接觸從而產(chǎn)生摩擦力以推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，因此定子彈性體表面需要有比較高的硬度，彈性模量較小的彈性材料。因此在選擇定子彈性體的材料時(shí)，要首先從材料的硬度出發(fā)來考慮選擇。當(dāng)然，也不能忽視材料的彈性模量。在本文中，選用的材料是彈性模量較小的純銅（紫銅），它的硬度與彈性模量均比較符合材料的設(shè)計(jì)要求。
彈性體和壓電陶瓷片的材料分別為紫銅和PZT-4，它們的材料屬性如下表3-2。根據(jù)定子諧振頻率簡(jiǎn)易計(jì)算公式(3-19)，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)的定子結(jié)構(gòu)，就可以計(jì)算出定子的近似諧振頻率
表3-2 超聲波電機(jī)定子材料屬性參數(shù)
物理量
紫銅
壓電陶瓷PZT-4
密度（Kg/m3）
彈性模量（N/m2）
泊松比
8910
110E9
0.31
7600
82E9
0.22
將上面的參數(shù)，代入前面的定子的諧振頻率計(jì)算公式(3-19)
計(jì)算其諧振頻率為f=42.5kHZ，滿足超聲波電機(jī)的頻率要求。
3.4 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及制作
超聲波電機(jī)是將定子的振動(dòng)能通過摩擦傳遞給轉(zhuǎn)子而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的，因而轉(zhuǎn)子擔(dān)負(fù)著輸出轉(zhuǎn)矩，并通過它施加定轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力的功能。在厘米級(jí)行波超聲波電機(jī)中，考慮到轉(zhuǎn)子的低密度、小慣量及摩擦系數(shù)等要求，本文選擇紫銅作為轉(zhuǎn)子的材料。在進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)時(shí)，主要需要考慮的是轉(zhuǎn)子的柔性及定轉(zhuǎn)子的靜態(tài)徑向彎曲配合，并由此確定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和尺寸。
3.4.1 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子的柔性要求
由定轉(zhuǎn)子接觸模型可知，振動(dòng)的定子與轉(zhuǎn)子間的接觸變形對(duì)于將齒端的周向振動(dòng)通過摩擦力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)是非常必要的，并要求在波峰處有一定的接觸長(zhǎng)度，如圖3-11所示。轉(zhuǎn)子通過柔性變形能夠減小摩擦接觸中的滑動(dòng)損耗，從而優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的性能。
對(duì)于圖3.8二維定轉(zhuǎn)子接觸模型而言，由垂直振動(dòng)引起的接觸壓力沿周向按正弦規(guī)律變化，定子表面的周向速度也按正弦變化，為了避免與波峰的低速或者反方向的速度區(qū)域接觸，接觸長(zhǎng)度略小于半個(gè)波長(zhǎng)，此時(shí)往往由摩擦層的變形來實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)子的摩擦驅(qū)動(dòng)。Maeno等人分析了剛性硬轉(zhuǎn)子與軟轉(zhuǎn)子接觸面對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響，指出了硬耐磨表面的轉(zhuǎn)子可以通過其結(jié)構(gòu)的變形獲得轉(zhuǎn)子的柔性，能夠消除由于高聚物摩擦層振動(dòng)損耗而損失的效率。其單純的轉(zhuǎn)子柔性可通過在接觸區(qū)域采用柔韌的腔結(jié)構(gòu)或者帶結(jié)構(gòu)來獲得，如佳能公司的環(huán)形行波超聲波電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也可以通過使用泡沫金屬復(fù)合物材料的轉(zhuǎn)子來獲得。
轉(zhuǎn)子的柔性通常可由摩擦層的柔性和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)合成，在垂直振動(dòng)下可產(chǎn)生變形，從而實(shí)現(xiàn)良好的定轉(zhuǎn)子接觸。目前大多數(shù)的電動(dòng)機(jī)都同時(shí)利用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和摩擦層的柔性。
圖 3.8 轉(zhuǎn)子柔性與接粗面變形
3.4.2 定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合
由于超聲波電機(jī)是基于摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理工作的，使用壽命是超聲波電機(jī)實(shí)用化生產(chǎn)的一大障礙，為了提高壽命，可以增加定轉(zhuǎn)子的接觸面積，減小預(yù)壓力，從而降低摩擦層的損耗和增加其使用壽命。
為了能夠使行波超聲波電動(dòng)機(jī)輸出很大的力矩，常需要在定轉(zhuǎn)子間施加相當(dāng)大的軸向預(yù)壓力，此預(yù)壓力的施加常通過軸向定轉(zhuǎn)子變形產(chǎn)生，這會(huì)使定轉(zhuǎn)子沿徑向彎曲，由于徑向彎曲的存在，使得定轉(zhuǎn)子的實(shí)際接觸面積大大減小，壓力分布不均勻，定子轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑接觸方向迅速磨損，如圖3.9所示為早期的超聲波電機(jī)定轉(zhuǎn)子的徑向彎曲效應(yīng)和定子徑向磨損情況。
大量的磨損是由于定轉(zhuǎn)子接觸面積減小，局部接觸壓力過大引起的。而且，接觸壓力使得摩擦材料內(nèi)部循環(huán)應(yīng)力增大，造成極大的損耗和發(fā)熱。Minotti等使用ANSYS對(duì)定轉(zhuǎn)子接觸情況進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：存在徑向彎曲效應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的局部接觸壓力是接觸區(qū)域無徑向彎曲效應(yīng)情況下的10倍以上。
圖3.9 早期超聲波電機(jī)定、轉(zhuǎn)子接觸及磨損情況
由于定轉(zhuǎn)子徑向彎曲效應(yīng)的存在，需要相應(yīng)改變定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以配合徑向彎曲效應(yīng)，使定轉(zhuǎn)子能夠平行接觸。定轉(zhuǎn)子的徑向彎曲配合能夠增加接觸寬度，使接觸壓力沿齒的整個(gè)徑向距離均勻分布，極大地降低了局部接觸壓力，從而顯著地減少材料磨損。另外，在保持周向接觸比和壓力不變的情況下，增加接觸寬度，能夠使加到轉(zhuǎn)子上的周向預(yù)壓力顯著增加，因而使徑向壓力分布均勻，并在不增加局部壓力和摩擦層磨損率的情況下提高行波超聲波電動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能。根據(jù)參考文獻(xiàn)考慮定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3.10所示。該轉(zhuǎn)子結(jié)能使磨損均勻分布在整個(gè)接觸區(qū)域，大大降低了摩擦層磨損，且由于壓力降低，摩擦層的損耗隨之減小
另外，定轉(zhuǎn)子接觸表面的加工精度是關(guān)系到定子的振動(dòng)能能否有效地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)能的關(guān)鍵，其平面度和粗糙度對(duì)電機(jī)運(yùn)行噪聲、能量轉(zhuǎn)化效率、運(yùn)行平穩(wěn)性等性能影響很大。所以，轉(zhuǎn)子與定子接觸的表面要進(jìn)行研磨，保證表面的平面度和粗糙度。裝配時(shí)，定轉(zhuǎn)子必須保持面接觸，使預(yù)壓力在整個(gè)面上均勻分布。
3.4. 摩擦層的設(shè)計(jì)
圖3.10 定轉(zhuǎn)子的彎曲配合設(shè)計(jì)圖
超聲波電機(jī)的摩擦材料必須滿足：耐磨、耐高溫、摩擦系數(shù)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。較大的摩擦系數(shù)可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩和較高的能量傳遞效率，但是如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或定 轉(zhuǎn)子材料選擇等環(huán)節(jié)處理不當(dāng)?shù)脑?，則可能發(fā)生磨損率高，電機(jī)不穩(wěn)定等特點(diǎn)。據(jù)參考文獻(xiàn)摩擦 層最佳的參數(shù)選擇是：彈性模量300Mpa、厚度為0.2mm、摩擦系數(shù)為0.2。
3.5 定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的總結(jié)
對(duì)于超聲波電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的校核，不像我們平時(shí)學(xué)習(xí)的電機(jī)，有確切的驗(yàn)算數(shù)學(xué)公式。目前為止，還沒有推導(dǎo)出，比較成熟的公式對(duì)其進(jìn)行校核，對(duì)于現(xiàn)階段，我們一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)出超聲波電機(jī)的樣機(jī)結(jié)構(gòu)，在利用仿真軟件，對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試，然后判定其是否合格。因?yàn)楸救嗽诖舜握撐闹校瓷婕败浖抡?，故未進(jìn)行有效地驗(yàn)算，不過，行波型超聲波電機(jī)是目前所有典型超聲波電機(jī)中力矩最小的一種。它的力矩比吊床上的小風(fēng)扇的力矩還小，一般連0.1的力矩都不到，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而言，所設(shè)計(jì)的定、轉(zhuǎn)子的初步結(jié)構(gòu)是基本符合要求的。
第4章 超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)
目前超聲波電機(jī)的控制信號(hào)的產(chǎn)生方法有很多：
1）比較早期的方法是利用NE555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器，由振蕩器產(chǎn)生頻率可變的方波信號(hào)，方波信號(hào)加到環(huán)形計(jì)數(shù)器觸發(fā)端，得到4路相位互差90°的方波信號(hào)，濾波后得到的正弦波通過脈寬調(diào)制控制芯片得到SPWM波。驅(qū)動(dòng)功率逆變電路。這種方式調(diào)頻由振蕩器外圍電位器調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)精度不夠，而且是手動(dòng)調(diào)節(jié)完全無法滿足快速調(diào)速的要求，而且這種電路不具備調(diào)相功能，而且這種電路在頻率自動(dòng)跟蹤的性能很差?？紤]到NE555定時(shí)器調(diào)頻控制很困難，采用壓控振蕩器VCO這種電路產(chǎn)生初始脈沖，可選用LM331。輸出的信號(hào)經(jīng)過分頻分相電路變成四路相位相差90°，頻率為輸入信號(hào)四分之一的脈沖信號(hào)。分頻分相電路可選用的方法有很多可以采用環(huán)形計(jì)數(shù)器，也可以采用移位寄存器40194，74LS161等。但是考慮到超聲波電機(jī)頻率特性隨環(huán)境變化而變化，一般采用CD4046鎖相環(huán)芯片作為VCO并進(jìn)行頻率自動(dòng)跟蹤。如果利用這種方法進(jìn)行調(diào)相調(diào)速的話，需采用高分頻數(shù)的芯片才行，這樣帶來的成本會(huì)很高。
2)目前隨可編程邏輯器件（CPLD/FPGA）的發(fā)展，可以將鎖相環(huán)，分頻移相電路集成到一
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