超聲波電機的設(shè)計 行波型超聲波電機的設(shè)計

超聲波電機的設(shè)計 行波型超聲波電機的設(shè)計,超聲波電機的設(shè)計,行波型超聲波電機的設(shè)計,超聲波,電機,設(shè)計,行波 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書 論文（設(shè)計）題目：超聲波電機的設(shè)計 學(xué)號： 姓名： 專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)教師： 系主任： 劉伯希 一、主要內(nèi)容及基本要求 超聲波電機是國內(nèi)外日益受到重視的一種新型驅(qū)動電機，通過查找相關(guān)文獻，熟悉其工作原理和運行機理，結(jié)合本科所學(xué)機械各學(xué)科方面的知識，完成超聲波電機結(jié)構(gòu)部分的設(shè)計。 主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：1超聲波電機的運行機理。2定子諧振頻率的計算。3壓電陶瓷換能器的設(shè)計和制作。4定子的設(shè)計及制作。5轉(zhuǎn)子的設(shè)計及制作。6編寫設(shè)計說明書：設(shè)計說明書按設(shè)計程序編寫。 基本要求：學(xué)習(xí)查閱文獻，具備綜合歸納資料的能力；綜合運用本科階段所學(xué)知識，分析與解決超聲波電機結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中所遇問題；并利用AutoCAD軟件繪制了其裝配圖和各個零件圖；通過翻譯3000字的外文資料獲取國外在該行業(yè)的最新發(fā)展動態(tài)。 二、重點研究的問題 理解超聲波電機的工作原理和運行機理，弄清其結(jié)構(gòu)特點，定子諧振頻率的計算，定子的設(shè)計及制作，轉(zhuǎn)子的設(shè)計及制作；理解超聲波壓電陶瓷和壓電振子的特性，弄清超聲波電機的振動特性及動力響應(yīng)特性；理解超聲波電機的驅(qū)動和控制及超聲波電機的分析與設(shè)計。設(shè)計一臺超聲波電機。 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 選題 第1周 2 查閱與收集資料 第2~5周 3 超聲波電機結(jié)構(gòu)的設(shè)計 第6~9周 4 完成所要求圖紙 第10~11周 5 完成設(shè)計說明書 第12~13周 6 進行最后的修改 第14周 7 答辯 第15周 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻 [1] 劉晉春，特種加工，第五版[M].機械工業(yè)出版社.2008 [2] 史敬灼，超聲波電機運動控制理論與技術(shù).北京:科學(xué)出版社.2011.10 [3] 胡敏強，金龍，顧菊平，超聲波電機原理與設(shè)計. 北京: 科學(xué)出版社.2005 [4] 姜楠，方光榮，劉俊標，束娜. 國內(nèi)外超聲波電動機驅(qū)動技術(shù)的最新進展. 微特電機. 2005.9 [5] 趙淳生，對發(fā)展我國超聲電機技術(shù)的若干建議.微電機.2006 [6] 胡敏強，超聲電動機的研究及其應(yīng)用[J].微特電機.2000 [7] 淮良貴，紀名剛，機械設(shè)計,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.超聲波電機研究現(xiàn)狀.微電機.2005 [10] 楊明，闕沛文. 超聲電機變頻驅(qū)動源的設(shè)計與分析. 壓電與聲光。 [11]?顧繩谷，電機及拖動基礎(chǔ)，第四版[M]. 機械工業(yè)出版社.2007.10 [12]羅宗澤，羅圣國.機械設(shè)計課程設(shè)計手冊[M].高等教育出版社，2006.5 畢業(yè)設(shè)計說明書 題 目： 超聲波電機的設(shè)計 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動 學(xué) 號： 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 超聲波電機的定義與發(fā)展歷史 3 1.2 超聲波電機的基本工作原理 5 1.3 超聲波電機的分類 6 1.4 超聲波電機的特點和應(yīng)用 6 1.5 超聲波電機技術(shù)的展望 7 第2章超聲波電機的運動機理 8 2.1 橢圓運動的分析 8 2.2 駐波的產(chǎn)生及行波的合成 10 第3章 超聲波電機的理論計算與設(shè)計 13 3.1 定子諧振頻率的計算 13 3.2 壓電陶瓷換能器的設(shè)計和制作 16 3.2.1 壓電陶瓷的設(shè)計 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)計及制作 19 3.3.1 定子尺寸與行波超聲波電機輸出特性的關(guān)系 19 3.3.2 定子的內(nèi)外徑尺寸的選擇 21 3.3.3 定子的振動模態(tài)的選擇 21 3.3.4 定子的齒形齒數(shù)設(shè)計 21 3.3.5 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計 22 3.3.7定子材料的選擇 23 3.4 轉(zhuǎn)子的設(shè)計及制作 24 3.4.1 超聲波電機轉(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 26 3.5 定轉(zhuǎn)子設(shè)計的總結(jié) 26 第4章 超聲波電機的驅(qū)動控制技術(shù) 27 第5章 超聲波電機整體結(jié)構(gòu)設(shè)計 30 第6章 全文總結(jié) 32 參考文獻 33 致謝 34 附錄 英文翻譯譯文 35 1 超聲波電機的設(shè)計 摘要：超聲波電機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。與傳統(tǒng)電磁型電機截然不同，其驅(qū)動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，通過定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來驅(qū)動轉(zhuǎn)子。由于超聲波電機特殊的工作原理，它具有很多傳統(tǒng)電磁電機無法比擬的優(yōu)越性能，如結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)速度快、不受磁場影響、斷電自鎖、可直接驅(qū)動負載等。正是由于超聲波電機具有許多的優(yōu)點和廣闊的應(yīng)用前景，成為當前世界范圍內(nèi)的一門新興前沿課題。 本文主要以超聲波電機為研究對象，設(shè)計超聲波電機的實驗樣機。研究的主要內(nèi)容可概括如下：系統(tǒng)地總結(jié)國內(nèi)外超聲波電機的發(fā)展歷史和重要意義，介紹了超聲波電機的工作原理、分類、特點及其應(yīng)用前景。在對超聲波電機相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，從超聲波電機定子設(shè)計著手，詳細介紹了超聲波電機的設(shè)計過程。 關(guān)鍵詞：超聲波電機 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定義與發(fā)展歷史、基本工作原理、分類、特點及其應(yīng)用及對超聲波電機技術(shù)的應(yīng)用展望。 1.1 超聲波電機的定義與發(fā)展歷史 超聲波電機（Ultrasonic Motor，簡稱USM）是一種新型的直接驅(qū)動型微電機，其原理完全不同于傳統(tǒng)的電機，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)電機的特性。超聲波電機一種利用超聲波振動能作為驅(qū)動源的新原理電機，是電機制造、機械振動學(xué)、摩擦學(xué)、功能材料、電子技術(shù)和自動控制等學(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),把電信號加到壓電陶瓷-金屬構(gòu)成的定子上,使定子表面的質(zhì)點產(chǎn)生一定軌跡的機械振動,驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的新型電機。由于定子的振動頻率多數(shù)處在超聲頻范圍,所以被稱為超聲波電動機。超聲波電機具有能量密度大、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。 在微型機械、機器人、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)動電機，其發(fā)展史卻可追溯到20世紀40年代。20世紀40年代，人們就知道了超聲波電機的這個驅(qū)動原理，然而由于當時壓電陶瓷材料以及超聲波電機理論技術(shù)的滯后，超聲波電機只能是“空中樓閣”，沒有得以實現(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。 超聲波電機的發(fā)展歷史過程總結(jié)如下： 圖1.1 H.V.Barth 的超聲波電機 利用彈性振動獲得動力的嘗試是從鐘表開始的。1961年，英國的Bulova Watch Ltd鐘表 公司首次提出了用彈性體振動能量作為驅(qū)動力 的理論，并研制成音叉驅(qū)動的手表，在國際上引起了轟動。 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，如圖1.1所示。該電機由一個轉(zhuǎn)子和兩個驅(qū)動振子構(gòu)成，兩個振子由PZT提供振動，其前部壓置在轉(zhuǎn)子上，保持摩擦接觸。當振子(1)激振時轉(zhuǎn)子順時針方向回轉(zhuǎn)，當振子(2)激振時，轉(zhuǎn)子逆時針方向回轉(zhuǎn)。與此同時，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，并給出了超聲波電機結(jié)構(gòu)簡單、成本低、低速大轉(zhuǎn)矩、單位質(zhì)量功率大、運動精確、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)動較大負載的超聲波電機，如圖1.2所示。 圖1.2 前蘇聯(lián)的Vasiliev構(gòu)造的超聲波電機 這種電機使用兩個金屬塊夾持壓電元件結(jié)構(gòu)的超聲換能器，利用振動片的縱向振動及誘發(fā)的彎曲振動，通過摩擦來使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。結(jié)構(gòu)上不僅能夠降低了共振頻率，而且放大振幅。但由于在運轉(zhuǎn)條件下，電機的磨損和發(fā)熱嚴重，很難保持振動片的恒幅振動，故也未獲得實際應(yīng)用。使超聲波電動機真正走上實用的是日本的指田年生，在1980年成功制造了一種振動片型超聲波電動機。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，其上安裝楔形的振動片，振動片前端跟圓板狀的轉(zhuǎn)子接觸，前端的運動軌跡是一個變形了的橢圓。這種超聲波電動機具有高速性，無負荷速度是2000rpm；高效率，最大效率達60%；壽命短，因為振動片和轉(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無法解決，因此產(chǎn)生的磨損使壽命較短。為了解決這個問題，日本的指田年生在1980年發(fā)明了一種振動片型超聲波電動機，該電機的原理利用行波在有限彈性體內(nèi)傳播時表面質(zhì)點產(chǎn)生的橢圓運動，行波型超聲波電動機只需改變驅(qū)動相位差即可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，而且定子、轉(zhuǎn)子之間是多點輪流接觸，磨擦很小。行波型超聲波電動機具有良好的應(yīng)用前景，引起了眾多大公司和大學(xué)的興趣，爭先對超聲波電動機進行研究和開發(fā)，從而使超聲波電動機進入大規(guī)模的實驗研究和實用化開發(fā)階段。 1987年，佳能公司將其開發(fā)的圓環(huán)型行波超聲波電機正式應(yīng)用于EOS相機自動調(diào)焦系統(tǒng)，實現(xiàn)了超聲波電機的商業(yè)應(yīng)用[3]。日本在超聲波電機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)和許多公司都對超聲電機進行了研究和生產(chǎn)。環(huán)狀行波型和棒狀行波型電機已大批量生產(chǎn)，最近一種駐波型電機也已投入批量生產(chǎn)，主要用于工作時間短、精度高及某種特定功能的機器或領(lǐng)域中。日本公司將超聲波電機應(yīng)用于自動門、風(fēng)扇、微動臺、控制臺、家電產(chǎn)品中，進一步開辟并擴大其應(yīng)用市場[4]。 20世紀末和新世紀初，中國、美國、德國、法國、英國和其他一些發(fā)達國家都開始了對超聲電機的研究。最近幾年來，除了日本之外，美國、德國、法國、中國、瑞士、韓國、土耳其和新加坡等都有超聲波電機產(chǎn)品進入市場，在這些國家中，以美國發(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，美國許多單位都在進行超聲波電機的研究，如麻省理工學(xué)院(MIT)、美國航空航天局(NASA)、噴射推進實驗室(JPL) ,Stanford, Berkeley, Wisconsin, Penn. State和 DARPA(Defense Advanced Research ProjectAgency)等[6]。美國某些公司生產(chǎn)的超聲波電機產(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。美國為了發(fā)展空間的反導(dǎo)彈、反衛(wèi)星及情報偵察系統(tǒng)，近幾年將要發(fā)射100個以上的納米衛(wèi)星(質(zhì)量7-8kg)。這種納米衛(wèi)星的核心技術(shù)之一是微機械和微傳感系統(tǒng)，包括微傳感/遙感器、微陀螺和微驅(qū)動器。為此，美國正加速發(fā)展微型超聲電機(直徑僅1-2mm）。 1.2 超聲波電機的基本工作原理 超聲波電機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。然后，將這種振動通過彈性體和移動體之間的摩擦力變換成旋轉(zhuǎn)或直線運動，或者直接用壓電振子產(chǎn)生彎曲振動驅(qū)動移動體轉(zhuǎn)動。如圖1.3所示為超聲波電機的工作基本原理示意圖。 彈性體 定子 壓電陶瓷 機械輸出 電信號輸入 高頻電源 移動體 耐磨材料 轉(zhuǎn)子 圖1.3 超聲波電機的基本原理示意圖 由圖可知，超聲波電機是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)原理。高頻電源產(chǎn)生信號的頻率和電機的固有頻率一致，形成共振，產(chǎn)生高頻機械振動。這種振動借助定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合來驅(qū)動電機運動。這就是超聲波電機的基本工作原理。其能量轉(zhuǎn)換可分為以下兩個過程：①高頻交流通過壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換為定子的機械能；②定轉(zhuǎn)子之間通過摩擦耦合把定子的機械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機械能。 1.3 超聲波電機的分類 超聲波電機利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及彈性體的機械振動，通過轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦力來驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。由于壓電陶瓷的極化形式多樣，彈性體的振動模式也具有多樣性，可采用不同的振動模態(tài)來產(chǎn)生驅(qū)動力，因而可以研制出多種不同結(jié)構(gòu)的超聲波電機，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)輸出運動的形式不同又可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。根據(jù)驅(qū)動位移的量級也可以分為一般的超聲波電機和微動超聲波電機（微米級和亞微米級的驅(qū)動位移）。而根據(jù)輸出運動自由度的個數(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超聲波電機做了整理和分類，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可以有很多種不同的形態(tài)。但是，從目前的搜集到的各國研究資料可以發(fā)現(xiàn)，回旋型超聲波電機是所有類型中結(jié)構(gòu)較簡單，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和行波型超聲波電機。駐波型超聲波電機的特點是變換效率高，但旋轉(zhuǎn)的方向一定，結(jié)構(gòu)尺寸大。行波型超聲波電機的特點是結(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 超聲波電機的分類情況 按驅(qū)動方式分 按定轉(zhuǎn)子力傳遞接觸方式分 按運動方式分 按自由度分 超聲波電機 行波型 單一模態(tài)型 接觸 連續(xù)的局部面接觸 直線運動 單自由度 復(fù)合模態(tài)型 連續(xù)的點（線）接觸 模態(tài)轉(zhuǎn)換型 斷續(xù)的整個面接觸 駐波型 單一模態(tài)型 斷續(xù)的點（線）接觸 旋轉(zhuǎn)運動 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 超聲波電機的特點和應(yīng)用 超聲波電機是近二十年來發(fā)展起來的一種新型電機。它突破了傳統(tǒng)電機的概念，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)和超聲振動來轉(zhuǎn)換能量。與電磁式電機相比，超聲波電機具有如下的幾個突出的優(yōu)點：1、低速、大轉(zhuǎn)矩；2、體積小、重量輕；3、動態(tài)響應(yīng)速度快、控制特性好；4、無電磁感應(yīng)影響；5、停止時具有保持力矩；6、斷電自鎖；7、運行無噪音；8、形式靈活，設(shè)計自由度大；9、可在很低的電壓下工作；10、適應(yīng)環(huán)境能力強。 超聲波電機以其新穎的工作原理和獨有的性能特點，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，超聲波電機產(chǎn)品可用于照相機的自動聚焦系統(tǒng)的驅(qū)動器；航空航天領(lǐng)域自動駕駛儀伺服驅(qū)動器；機器人或微型機械自動控制系統(tǒng)的驅(qū)動器；高級轎車門窗和座椅靠頭調(diào)節(jié)的驅(qū)動裝置；窗簾或百葉窗自動升降裝置；CD光盤唱頭驅(qū)動裝置；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)動器、人工關(guān)節(jié)驅(qū)動器；強磁場環(huán)境條件下設(shè)備的驅(qū)動裝置，如未來的磁浮火車；不希望驅(qū)動裝置產(chǎn)生磁場的場合，如磁通門的自動測試轉(zhuǎn)臺等?？梢灶A(yù)言，隨著超聲波電機在工業(yè)界的成功應(yīng)用，將會發(fā)生一場新的技術(shù)革命。 1.5 超聲波電機技術(shù)的展望 超聲波電機在各個領(lǐng)域的廣泛的應(yīng)用。21世紀將是超聲波電機大放光芒的時代，它將有可能部分取代微、小型的傳統(tǒng)電磁電機而得到更廣泛的應(yīng)用。 超聲波電機在機器人、計算機、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。如照相機調(diào)焦、太空機器人中的應(yīng)用、精密定位裝置和隨動系統(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、機器人關(guān)節(jié)驅(qū)動、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（壓電直線電機）。 在未來發(fā)展中，為了發(fā)展我國人造衛(wèi)星、導(dǎo)彈、火箭、飛機、機器人、微型機械、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。超聲波電機技術(shù)的發(fā)展，必將對我國國防和其他國民經(jīng)濟各部門起著重大作用。 超聲波電機作為一種新型驅(qū)動器，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。超聲波電機正經(jīng)歷一個從研究開發(fā)向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)折時期，相信經(jīng)過工業(yè)化、商品化研制，超聲波電機將會使整個機械、電子工業(yè)、機器人、計算機、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 超聲波電機的運動機理 超聲波電機是借助于行波的周向傳播來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的。行波使定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面質(zhì)點沿橢圓軌跡轉(zhuǎn)動，利用定子與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，這是超聲波電機傳動的最基本的工作原理，如圖2.1所示。利用這個基本原理，人們制造出了各式各樣的行波型超聲波電機，如Panasonic公司的盤形行波型超聲波電機；Canon公司的環(huán)形行波型超聲波電機。行波超聲波電機主要由定子、轉(zhuǎn)子及驅(qū)動與控制裝置組成。 2.1 橢圓運動的分析 圖2.2 定子表面質(zhì)點的運動分析圖 圖2.1 行波型超聲波電機的工作原理圖 行波型超聲波電機定子上的壓電陶瓷在二相交變電壓作用下，在彈性體內(nèi)形成兩個時空相差為90°的彎曲振動駐波，進而在彈性體定子內(nèi)合成一個沿圓環(huán)周向旋轉(zhuǎn)的彎曲振動行波，行波使彈性體與運動體相接觸的表面質(zhì)點作橢圓運動。根據(jù)參考文獻將圓環(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，行波波長為，L為定子周長，n為定子環(huán)上駐波的波數(shù)，彎曲振動的橫向位移振幅為，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設(shè)為，未彎曲時的位置設(shè)為。當彎曲角為時，從到的厚度方向的橫向位移為 (2-2) 因為彎曲振動的振幅遠比彎曲振動的波長小，彎曲角也很小，所以橫向位移可近似表示為 (2-3) 同樣，當彎曲角為時，從到的縱向位移為 (2-4) 因為彎曲角可用下式表述 (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)點的橢圓運動軌跡的。進一步分析可知它沿橢圓軌跡的逆時針方向運動，橢圓的短軸和長軸之比為。定子表面質(zhì)點的縱向速度為 (2-8) 式中負號表示定子表面質(zhì)點的運動方向與行波傳播方向相反。 當轉(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，轉(zhuǎn)子就獲得定子表面質(zhì)點波峰處的縱向速度。其轉(zhuǎn)子速度為 (2-9) 由此可見，旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機是利用定子行波波峰處質(zhì)點做橢圓運動的縱向速度使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度即為定子表面質(zhì)點的縱向速度。 通過對上述彎曲行波上質(zhì)點的橢圓運動的分析，可以得到這樣的結(jié)論：彎曲行波使彈性體上的質(zhì)點有一個橫向振動分量，即在行波中存在著橫向振動波，且與行波的相角差為90o，才形成了質(zhì)點的橢圓運動軌跡。但這個橫向振動波的振幅較小，這對于橢圓運動的合成不利，會直接影響這種行波電機的輸出特性，所以提高橫向振動振幅是很關(guān)鍵的問題。在以后的分析中，將會提出解決這個問題的方法。 (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，當在壓電陶瓷片上加直流電壓時，壓電陶瓷片會產(chǎn)生交替伸縮變形，如圖(a)所示；如果將直流電壓反相時，壓電陶瓷會產(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，則其駐波方程 (2-11) 式中，表示B相激勵電壓與彈性體響應(yīng)間的相位差，其余符號意義與式（2-12）相同。 利用線性波的疊加原理，將兩駐波合成為一個沿定子圓環(huán)周向運動的行波，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，形成了兩個在時間上相差相角，空間上相差四分之一波長的彎曲振動的駐波，進而合成了一個沿定子圓環(huán)周向旋轉(zhuǎn)的彎曲振動行波，行波使定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面質(zhì)點沿橢圓軌跡運動，而定子與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力就推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。 同理，如欲使電機轉(zhuǎn)子朝相反方向旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)當在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) 表達式（2-15）所表示方程為沿x軸負方向運動的行波，這也就意味著此時電機將朝反方向旋轉(zhuǎn)。 由以上的分析可以得出超聲波電機的基本特征是： 1、定子與轉(zhuǎn)子相接觸表面質(zhì)點的橢圓運動，是由定子彈性體的行波振動形成的。一旦定子制作完畢，工作時該橢圓運動軌跡的長軸和短軸一般不能獨立地調(diào)整。 2、電機工作時，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 超聲波電機的理論計算與設(shè)計 超聲波電機與傳統(tǒng)電機不同，還未建立起系統(tǒng)的設(shè)計理論與方法。超聲波電機的關(guān)鍵部件是定子，定子的諧振頻率與驅(qū)動電源是否相匹配是電機能否正常運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。本章從定子的諧振頻率的計算出發(fā)，詳細介紹了超聲波電機的設(shè)計過程，同時分析了電機的加工工藝，設(shè)計了直徑30mm的樣機圖。設(shè)計中，以提高電機的性能為優(yōu)化的目標，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)計變量。 3.1 定子諧振頻率的計算 超聲波電機的定子是由彈性體與壓電陶瓷粘接在一起的。正因為如此，在分析行波超聲波電機的定子振動的諧振頻率前，先作如下假設(shè)：1.認為彈性體的變形遵守虎克定律，且振動是微幅的，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)生的非正弦振動分量，認為其振動近似為正弦波。4.忽略定子環(huán)振動時引起的徑向位移。 圖3.1 定子環(huán)的等效梁模型 (a) (b) (c) 在作定子環(huán)的等效梁分析時可以分兩步進行。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能和勢能分別相等，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 相應(yīng)的變分為 (3-2) 則慣性力在整個定子梁上所作的虛功根據(jù)參考文獻為 (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 (3-5) 為等效密度系數(shù)。 等效成無齒槽的彈性梁，則截面積，此時慣性力在整個定子梁上所作的虛功為 (3-6) 可以認為等效前、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)彎曲振動時對齒的變形影響很小，因此振動時齒的應(yīng)變能可以忽略不計，此時截面慣性矩根據(jù)參考文獻可表示為 (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，有齒槽的彈性梁已經(jīng)等效為高度為的彈性等直梁了。進一步按圖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 (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 ——截面任一點的軸向座標 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)參考文獻可得復(fù)合梁的固有頻率計算公式為 (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)計和制作 3.2.1 壓電陶瓷的設(shè)計 圖3.2 壓電體的分極結(jié)構(gòu) 由前面對行波型超聲波電機運行機理的分析可知，兩列在時間上相差90o，空間上相差1/4波長的駐波可合成行波。如圖3.2所示為壓電體的分 級結(jié)構(gòu)?！埃?、“－”號表示極化方向，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)，相鄰兩級空間排列相差π/2（1/4波長），并且分別受到在時間上也相差π/2的高頻電源的激勵（E1和E2）。當激勵電源的頻率等于定子的固有頻率時，定子（振動體）產(chǎn)生共振，兩區(qū)間壓電陶瓷所激發(fā)的波相疊加，在電機定子中產(chǎn)生沿圓周方向的合成彎曲行波，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動方向與行波的傳播方向相反。倘若改變所施加激勵電源電壓的符號，可以使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，十分方便。激勵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行波，也可作為控制和測量用反饋信號的傳感器。另外，A、B兩相區(qū)在空間對稱排列，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)個波，即稱為波數(shù)，圖3.2中，波數(shù)n=9。 對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，在樣機研制中不易實現(xiàn)。另外，壓電陶瓷片的厚度對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能量轉(zhuǎn)換的媒介，它起著為超聲波電機提供驅(qū)動力的重要作用，質(zhì)量的好壞直接影響電機的性能。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、機電能量轉(zhuǎn)換效率高、壓電常數(shù)大;3、動態(tài)抗張強度大;4、性能穩(wěn)定;5、居里溫度高。在具體選用壓電材料時，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，兩個壓電陶瓷的電極在空間上相互錯開。在兩片壓電陶瓷上施加相位差90°的交流電壓，這樣兩個駐波合成為行波。 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部分，兩部分在空間上相差。在兩部分分別施加時間上相差 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，也可以形成時間上和空間上分別相差90°的駐波信號，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)域為行波合成區(qū)，此區(qū)域利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)可以檢測到壓電陶瓷的振動情況，可將檢測到的信號作為電機控制的反饋信號。 (a) (b) (c) 圖3.3 行波型超聲波電機的壓電陶瓷片三種接線方式 3.3 定子的設(shè)計及制作 定子彈性體是超聲波電機中最重要的部件，它相當于一個振動放大機構(gòu)，可以對壓電陶瓷所產(chǎn)生的微小振動進行放大，獲得較大的振動幅度，以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。行波超聲波電機的主要性能取決于定子的振動特性，因而定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計在整個樣機設(shè)計中是至關(guān)重要的。定子彈性體設(shè)計主要包括定子尺寸的選擇、振動模態(tài)設(shè)計、定子厚度設(shè)計、齒形齒數(shù)設(shè)計等幾個方面。 3.3.1 定子尺寸與行波超聲波電機輸出特性的關(guān)系 超聲波電機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，電機的輸出特性而有所不同。因此，很有必要對定子的外徑與行波超聲波電機輸出特性之間的關(guān)系做一個研究。 1．定子彈性體外徑與電機輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系 在理想接觸條件下，根據(jù)參考文獻電機的輸出轉(zhuǎn)速為： 或 (3-20) 圖3.4 定子外徑與電機輸出轉(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，外徑與波長成正比關(guān)系，諧振頻率與波長成二次反比關(guān)系（），行波波峰值與波長成三次正比關(guān)系（）。綜合考慮上述各項因素，可得在同一波數(shù)條件下，超聲波電機的輸出轉(zhuǎn)速與電機外徑成一次反比關(guān)系，即。如圖3.4所示。由圖中可知，電機的輸出轉(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輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系 設(shè)電機的輸出轉(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輸出轉(zhuǎn)矩表達式為 (3-21) 其中定轉(zhuǎn)子之間的正壓力。超聲波電機的輸出功率表達式為 (3-22) 圖3.5 定子外徑與電機輸出功率的關(guān)系 20 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10 由于電機的轉(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。由參考文獻給出 (3-23) 上式中為與材料特性、電場特性有關(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)超聲波電機的輸出特性要求來選擇定子的尺寸。但是我們在實際設(shè)計過程中，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。當內(nèi)外徑比在0.7左右的時候，壓電振子的自由振動能量損耗最小，因而設(shè)計內(nèi)徑d為外徑D的0.7左右。考慮到實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在實際生產(chǎn)中，正如傳統(tǒng)的電機設(shè)計那樣，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)計了定子的外徑為，內(nèi)徑為。 3.3.3 定子的振動模態(tài)的選擇 行波型超聲波電機定子振動模態(tài)的選擇要遵從以下兩個原則:一是定子驅(qū)動的對稱性，這決定了電機的振動模態(tài)必須為奇數(shù);二是定子的振動頻率必須大于 ZOHkz，使之工作在超聲頻段。因為振動模態(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)，適當提高電機的諧振頻率，如n取9，11等值;尺寸小的電機的模態(tài)頻率偏高些，可以選用低階模態(tài)適當降低諧振頻率，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 行波型超聲波電機的輸出轉(zhuǎn)速關(guān)鍵取決于定子表面質(zhì)點的橢圓運動，該橢圓運動不僅與激勵電壓、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動。在定子結(jié)構(gòu)上采取何種措施，來放大該橢圓運動，特別是放大平行于定子表面質(zhì)點的水平位移，即橫向振幅，是改善超聲波電機輸出特性的一個重要措施。定子上齒槽的作用是放大定子表面振動的振幅，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)參考文獻的經(jīng)驗公式計算下列數(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)實際設(shè)計需要，選擇齒槽寬為0.6mm。 2：齒數(shù)N的選擇與振動模態(tài)數(shù)有關(guān)，同時還要考慮加工過程中銑槽時的分度情況，最好取齒數(shù)為振動模態(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，這樣就會取得比較好的振動效果。齒數(shù)太多不僅會增加加工的難度，還將會降低齒的剛度。對于振動模態(tài)為3，直徑為30mm的超聲波電機，選擇齒數(shù)為36，這樣便于分度加工。齒數(shù)太多不僅會增加加工的難度，還會降低齒的剛度。 3：一般情況下，我們認為定子齒的寬度w遠小于定子行波波長兄，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: 電機的齒高h，有個最佳值，齒高太大，定子的諧振頻率降低，定轉(zhuǎn)子之間的相對滑動和磨損增大，輸出力矩降低，且容易產(chǎn)生噪聲;齒高太低，齒對橢圓運動的振動幅值放大作用降低，轉(zhuǎn)子的輸出速度會受到影響。研究證明，當齒高滿足:根據(jù)參考文獻時，其中h定子厚度，此時，定轉(zhuǎn)子之間的相對滑動和損耗最小。 3.3.5 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計 本文設(shè)計的超聲波電機定子的結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。這種電機定子在定子環(huán)內(nèi)圈有一段比較薄的支 撐板，它可以達到徑向隔振的作用，而且可以便于 超聲波電機的固定。由于固定板是固定在機殼上的，不會產(chǎn)生振動，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。行波型超聲波電機定子支撐部分與振動圓環(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)計的厚度一般選擇能夠滿足定子的支撐強度即可，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)計了一個小凸臺，上面有三個定位孔，在裝配的時候用內(nèi)六角螺栓將定子固定超聲波電機底座上。定子彈性體的加工要注意關(guān)鍵尺寸的精度。為了保證定子的對稱性其表征振動體厚度的兩個平面間的平行度應(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，在加工下表面的時候也要磨削。同時，為保證整機的裝配精度，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) 對行波型超聲波電動機而言，定子的結(jié)構(gòu)是影響行波型超聲波電機性能的關(guān)鍵。設(shè)計中，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，最終本文所設(shè)計的超聲波電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3-1所示。 表3-1 行波型超聲波電機定子設(shè)計結(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 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)生摩擦力以推動轉(zhuǎn)子運動，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，要首先從材料的硬度出發(fā)來考慮選擇。當然，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)定子諧振頻率簡易計算公式(3-19)，結(jié)合實際設(shè)計的定子結(jié)構(gòu)，就可以計算出定子的近似諧振頻率 表3-2 超聲波電機定子材料屬性參數(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算公式(3-19) 計算其諧振頻率為f=42.5kHZ，滿足超聲波電機的頻率要求。 3.4 轉(zhuǎn)子的設(shè)計及制作 超聲波電機是將定子的振動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。在厘米級行波超聲波電機中，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。在進行電機轉(zhuǎn)子的設(shè)計時，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 超聲波電機轉(zhuǎn)子的柔性要求 由定轉(zhuǎn)子接觸模型可知，振動的定子與轉(zhuǎn)子間的接觸變形對于將齒端的周向振動通過摩擦力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的運動是非常必要的，并要求在波峰處有一定的接觸長度，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損耗，從而優(yōu)化電動機的性能。 對于圖3.8二維定轉(zhuǎn)子接觸模型而言，由垂直振動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，接觸長度略小于半個波長，此時往往由摩擦層的變形來實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子的摩擦驅(qū)動。Maeno等人分析了剛性硬轉(zhuǎn)子與軟轉(zhuǎn)子接觸面對電動機性能的影響，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)形行波超聲波電動機轉(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?？捎赡Σ翆拥娜嵝院娃D(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)合成，在垂直振動下可產(chǎn)生變形，從而實現(xiàn)良好的定轉(zhuǎn)子接觸。目前大多數(shù)的電動機都同時利用轉(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 由于超聲波電機是基于摩擦驅(qū)動機理工作的，使用壽命是超聲波電機實用化生產(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機輸出很大的力矩，常需要在定轉(zhuǎn)子間施加相當大的軸向預(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對定轉(zhuǎn)子接觸情況進行了計算，結(jié)果表明：存在徑向彎曲效應(yīng)的電動機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，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機的機械性能。根據(jù)參考文獻考慮定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3.10所示。該轉(zhuǎn)子結(jié)能使磨損均勻分布在整個接觸區(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)系到定子的振動能能否有效地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動能的關(guān)鍵，其平面度和粗糙度對電機運行噪聲、能量轉(zhuǎn)化效率、運行平穩(wěn)性等性能影響很大。所以，轉(zhuǎn)子與定子接觸的表面要進行研磨，保證表面的平面度和粗糙度。裝配時，定轉(zhuǎn)子必須保持面接觸，使預(yù)壓力在整個面上均勻分布。 3.4. 摩擦層的設(shè)計 圖3.10 定轉(zhuǎn)子的彎曲配合設(shè)計圖 超聲波電機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。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)計或定 轉(zhuǎn)子材料選擇等環(huán)節(jié)處理不當?shù)脑?，則可能發(fā)生磨損率高，電機不穩(wěn)定等特點。據(jù)參考文獻摩擦 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)計的總結(jié) 對于超聲波電機定、轉(zhuǎn)子的校核，不像我們平時學(xué)習(xí)的電機，有確切的驗算數(shù)學(xué)公式。目前為止，還沒有推導(dǎo)出，比較成熟的公式對其進行校核，對于現(xiàn)階段，我們一般根據(jù)經(jīng)驗公式設(shè)計出超聲波電機的樣機結(jié)構(gòu)，在利用仿真軟件，對其進行仿真測試，然后判定其是否合格。因為本人在此次論文中，未涉及軟件仿真，故未進行有效地驗算，不過，行波型超聲波電機是目前所有典型超聲波電機中力矩最小的一種。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)驗而言，所設(shè)計的定、轉(zhuǎn)子的初步結(jié)構(gòu)是基本符合要求的。 第4章 超聲波電機的驅(qū)動控制技術(shù) 目前超聲波電機的控制信號的產(chǎn)生方法有很多： 1）比較早期的方法是利用NE555定時器構(gòu)成多諧振蕩器，由振蕩器產(chǎn)生頻率可變的方波信號，方波信號加到環(huán)形計數(shù)器觸發(fā)端，得到4路相位互差90°的方波信號，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跟蹤的性能很差。考慮到NE555定時器調(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°，頻率為輸入信號四分之一的脈沖信號。分頻分相電路可選用的方法有很多可以采用環(huán)形計數(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并進行頻率自動跟蹤。如果利用這種方法進行調(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