1、目录第 1 章 绪论 31.1 超声波电机的定义与发展历史 .31.2 超声波电机的基本工作原理 .41.3 超声波电机的分类 .51.4 超声波电机的特点和应用 .61.5 超声波电机技术的展望 .6第 2 章 行波型超声波电机的运行机理 82.1 椭圆运动的分析 .82.2 驻波的产生及行波的合成 .10第 3 章 行波型超声波电机的理论计算与设计 133.1 定子谐振频率的计算 .133.2 压电陶瓷换能器的设计和制作 .163.2.1 压电陶瓷的设计 163.2.2 压电陶瓷材料的选用 173.2.3 压电陶瓷的接线方式 173.3 定子的设计及制作 .193.3.1 定子尺寸与行波超
2、声波电机输出特性的关系 193.3.2 定子的内外径尺寸的选择 213.3.3 定子的振动模态的选择 213.3.4 定子的齿形齿数设计 213.3.5 定子的结构设计 223.3.7 定子材料的选择 .233.4 转子的设计及制作 .243.4.1 超声波电机转子的柔性要求 243.4.2 定转子径向弯曲配合 253.4. 摩擦层的设计 263.5 定转子设计的总结 .26第 4 章 样机整体结构设计 27第 5 章 全文总结 29参考文献 30致谢 31附录 32英文翻译译文 32需要完整说明书、图纸请加叩叩 153893706行波型超声波电机设计摘要：超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电
3、效应工作的新概念、新原理电机。与传统电磁型电机截然不同，其驱动力矩并非由电磁感应产生，它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动，通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子。由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如结构紧凑、低速大转矩、响应速度快、不受磁场影响、断电自锁、可直接驱动负载等。正是由于超声波电机具有许多的优点和广阔的应用前景，成为当前世界范围内的一门新兴前沿课题。本文主要以旋转行波型超声波电机为研究对象，设计制作超声波电机的实验样机。研究的主要内容可概括如下：系统地总结国内外超声波电机的发展历史和重要意义，介绍了超声波电机的工作原理、分类、特点及其应用前
4、景。在对超声波电机相关理论研究的基础上，从超声波电机定子设计着手，详细介绍了超声波电机的设计和制作过程。关键词：超声波电机 压电陶瓷 行波 亲，由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等） ，此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的Q2、机电能量转换效率高、压电常数 大;3、动态抗张强度大;31d4、性能稳定;5、居里温度高。在具体选用压电材料时，需要综合考虑材料的这些性能参数。基于以上的考虑，本文中选择保定天一代号为 TY-8 的压电陶瓷材料，它的， ， ，居里温度 C。可见，它的12312
5、0%/dCN10mQ0.tan0o性能比较符合上面所提出的要求。3.2.3 压电陶瓷的接线方式按照行波产生的机理，本文采用的环形压电陶瓷片的接线方式主要有下面三种不同的连线方式：1.如图 3.3（a）所示，将两片压电陶瓷和弹性体粘接在一起，两个压电陶瓷的电极在空间上相互错开 。在两片压电陶瓷上施加相位差 90的交流电压，这样两个4/驻波合成为行波。2.如图 3.3（b）所示，在一片压电陶瓷上借助于极化方法的不同将压电陶瓷分成两个部分，两部分在空间上相差 。在两部分分别施加时间上相差/90的交流电压，这样两部分分别产生的驻波同样可以叠加成行波。3.在一片压电陶瓷上还可以将压电陶瓷按图 3.3（c
6、）所示的方式极化、接线，也可以形成时间上和空间上分别相差 90的驻波信号，从而在弹性体的表面形成行波。 湘潭大学兴湘学院18在综合考虑以上三种接线方法后，结合实际压电陶瓷片的粘接问题。本文选择了第二种接线方法，如图 3.3（b） 。在图中 区域为行波合成区，此区域利用压电陶瓷4/的正压电效应可以检测到压电陶瓷的振动情况，可将检测到的信号作为电机控制的反馈信号。(a)(b)需要完整说明书、图纸请加叩叩 153893706(c)图 3.3 行波型超声波电机的压电陶瓷片三种接线方式3.3 定子的设计及制作定子弹性体是超声波电机中最重要的部件，它相当于一个振动放大机构，可以对压电陶瓷所产生的微小振动进
7、行放大，获得较大的振动幅度，以驱动转子旋转。行波超声波电机的主要性能取决于定子的振动特性，因而定子的结构设计在整个样机设计中是至关重要的。定子弹性体设计主要包括定子尺寸的选择、振动模态设计、定子厚度设计、齿形齿数设计等几个方面。3.3.1 定子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系超声波电机的输出特性是指输出功率、输出转矩和转速。在同一直径前提下，因所选用的压电材料不同，弹性体材料不同，截面尺寸不同，以及加工工艺所造成的换能系数不同，电机的输出特性而有所不同。因此，很有必要对定子的外径与行波超声波电机输出特性之间的关系做一个研究。1定子弹性体外径与电机输出转速的关系在理想接触条件下，根据参考文献
8、电机的输出转速为：2,8或 (3-20)Dhrot002rothn湘潭大学兴湘学院20经分析，在同一波数（ ）前提下，外径 与波长成正比关系，谐振频率与波长nD成二次反比关系（ ） ，行波波峰值与波长成三次正比关系（ ） 。AEI2 EIP4830综合考虑上述各项因素，可得在同一波数条件下，超声波电机的输出转速与电机外径成一次反比关系，即 。如图 3.4 所示。由图中可知，电机的输出转速随着定Drot1子外径的增加而减少。2定子弹性体外径与电机输出功率、输出转矩的关系设电机的输出转矩为 ，定子与转子间的摩擦力为 ，施加在定子与转子间的MF正压力为 ，滑动摩擦系数为 ，定子与转子间的接触半径为
9、，定子上的波峰数pmr（波数）为 ，则可以得到超声波电机输出转矩表达式为n(3-21)nini prFr1m1其中 定转子之间的正压力。超声波电机的输出功率表达式为p(3-22)nirotmrotnirot pFMP11图 3.4 定子外径与电机输出转速的关系100908070605040302010200300100需要完整说明书、图纸请加叩叩 153893706由于电机的转速与直径成一次反比，所以输出功率主要取决于定子表面的压力。由参考文献 给出2,8(3-23)Ap上式中 为与材料特性、电场特性有关的常数。A用与上述相同的分析方法，可得出电机输出功率与直径成正比，输出转矩与二次直径成正比
10、，即 ， 。如图 3.5 所示。由图中可知，电机的输出功率随着DP2M定子外径的增加而增加。3.3.2 定子的内外径尺寸的选择由前面的讨论可以知道定子的直径和超声波电机的输出转速、输出扭矩、输出功率成一定的比例关系，所以可以根据超声波电机的输出特性要求来选择定子的尺寸。但是我们在实际设计过程中，通常定子的内外径和压电陶瓷的内外径相一致，因而可以根据压电陶瓷的内耗大小来确定定子的内径。当内外径比在 0.7 左右的时候，压电振子的自由振动能量损耗最小，因而设计内径 d 为外径 D 的 0.7 左右。考虑到实际中压电陶瓷的加工的限制，定子的直径一般不大于 100m，也不小于 10m 在实际生产中，正
11、如传统的电机设计那样，往往希望定子的外形尺寸是规约过的，所以定子外径尺寸可选择 0 或 5 结尾的尺寸规格。本文综合考虑以上的因素选择和设计了定子的外径为，内径为 。3Dm20dm图 3.5 定子外径与电机输出功率的关系2010090807060504030201010湘潭大学兴湘学院223.3.3 定子的振动模态的选择行波型超声波电机定子振动模态的选择要遵从以下两个原则:一是定子驱动的对称性，这决定了电机的振动模态必须为奇数;二是定子的振动频率必须大于ZOHkz，使之工作在超声频段。因为振动模态用于模拟仿真，在这里不多做说明。只是一般在选择上，在材料相同的情况下，大尺寸电机由于重量较大，其模
12、态频率偏低，因此可以选用高阶模态，适当提高电机的谐振频率，如 n 取 9，11 等值;尺寸小的电机的模态频率偏高些，可以选用低阶模态适当降低谐振频率，如 n 取 3，5 等值，本文初选 n=3 3.3.4 定子的齿形齿数设计行波型超声波电机的输出转速关键取决于定子表面质点的椭圆运动，该椭圆运动不仅与激励电压、压电陶瓷材料和结构有关，而且与定子弹性体的结构有关。所以，需要采取措施放大椭圆运动。在定子结构上采取何种措施，来放大该椭圆运动，特别是放大平行于定子表面质点的水平位移，即横向振幅，是改善超声波电机输出特性的一个重要措施。定子上齿槽的作用是放大定子表面振动的振幅，使转子获得较大的输出能量。因
13、此，在定子的接触面采用齿槽结构。根据参考文献 的经验公式计算下10列数据：1：齿槽宽度 ，的确定主要与加工刀厚度具有关，齿槽太宽，齿的刚度会降低，tw使得齿在加工过程中发生变形，齿槽太窄造成加工困难，根据经验和加工刀具的厚度，一般取齿槽宽为 0.4 一 0.6mm 范围较为合适。在本文中，根据实际设计需要，选择齿槽宽为 0.6mm。2：齿数 N 的选择与振动模态数有关，同时还要考虑加工过程中铣槽时的分度情况，最好取齿数为振动模态数的整数倍。另外还需要确定开槽的数目，如果齿槽数 N 是节径 n 的 4 或 8 倍数，并且沿圆周均匀分布，那么特征频率将不分离，这样就会取得比较好的振动效果。齿数太多
14、不仅会增加加工的难度，还将会降低齿的刚度。对于振动模态为 3，直径为 30mm 的超声波电机，选择齿数为 36，这样便于分度加工。齿数太多不仅会增加加工的难度，还会降低齿的刚度。3：一般情况下，我们认为定子齿的宽度 w 远小于定子行波波长兄，在定子内外径尺寸、齿数和槽宽都确定后，齿宽也就唯一确定了，即: 12trwN根据前面的数据， =15mm； =10mm；N=36； =0.6mm 代入上式得；w=1.5mm1r2rt需要完整说明书、图纸请加叩叩 1538937064: 电机的齿高 h，有个最佳值，齿高太大，定子的谐振频率降低，定转子之间的相对滑动和磨损增大，输出力矩降低，且容易产生噪声;齿
15、高太低，齿对椭圆运动的振动幅值放大作用降低，转子的输出速度会受到影响。研究证明，当齿高满足:根据参考文献 时，其中 h 定子厚度，此时，定转子之间的相对滑动和120.68t t损耗最小。 3.3.5 定子的结构设计本文设计的超声波电机定子的结构如图3.6所示。这种电机定子在定子环内圈有一段比较薄的支撑板，它可以达到径向隔振的作用，而且可以便于超声波电机的固定。由于固定板是固定在机壳上的，不会产生振动，定子支撑的设置又可以减少固定板的约束影响，大大减小电机径向弯曲绕度。这种做法可以在转子上加有较大压力，以得到较大的输出力矩。行波型超声波电机定子支撑部分与振动圆环部分的剖面结构如图3.7所示，h表
16、示定子支撑中心线到定子底端距离，t表示定子支撑厚度，w表示定子支撑宽度。定子的支撑部分设计的厚度一般选择能够满足定子的支撑强度即可，可以选在t=0.51mm之间选择，支撑位置在定子的中间位置。如图3.7所示，为了装配的需要，在定子的下面设计了一个小凸台，上面有三个定位孔，在装配的时候用内六角螺栓将定子固定超声波电机底座上。定子弹性体的加工要注意关键尺寸的精度。为了保证定子的对称性其表征振动体厚度的两个平面间的平行度应在3以上。由于定子齿面和转子相压产生摩擦幅，所以弹性体表面加工的时候要求精度比较高，要研磨。下面需要粘贴压电陶瓷，在加工下表面的时候也要磨削。同时，为保证整机的装配精度，定子与底板
17、的接触面的平面度和粗糙度要求也比较高3.3.6 定子的结构参数对行波型超声波电动机而言，定子的结构是影响行波型超声波电机性能的关键。湘潭大学兴湘学院24设计中，本文预先设定一些结构参数，如定子的外径、定子的内径，并参考了一些其他的设计，最终本文所设计的超声波电机的结构参数如表 3-1 所示。表 3-1 行波型超声波电机定子设计结构参数结构参数 TRUSM30定子外径(D) 30mm定子内径(d) 20mm定子齿数(N) 36 个齿的高度(h 0) 2.0mm支撑厚度(t) 1mm弹性体厚度(H) 3.5mm压电体厚度(h) 0.5mm厚度比值(h /H) 1:73.3.7 定子材料的选择由于定
18、子需要与转子紧密接触从而产生摩擦力以推动转子运动，因此定子弹性体表面需要有比较高的硬度，弹性模量较小的弹性材料。因此在选择定子弹性体的材料时，要首先从材料的硬度出发来考虑选择。当然，也不能忽视材料的弹性模量。在本文中，选用的材料是弹性模量较小的纯铜（紫铜） ，它的硬度与弹性模量均比较符合材料的设计要求。弹性体和压电陶瓷片的材料分别为紫铜和 PZT-4，它们的材料属性如下表 3-2。根据定子谐振频率简易计算公式(3-19)，结合实际设计的定子结构，就可以计算出定子的近似谐振频率表 3-2 超声波电机定子材料属性参数物理量 紫铜 压电陶瓷 PZT-4密度（Kg/m 3）弹性模量（N/m 2）泊松比
19、8910110E90.31760082E90.22将上面的参数，代入前面的定子的谐振频率计算公式(3-19)计算其谐振频率为 f=42.5kHZ，满足超声波电机的频率要求。2nEILA3.4 转子的设计及制作超声波电机是将定子的振动能通过摩擦传递给转子而使转子旋转的，因而转子担需要完整说明书、图纸请加叩叩 153893706负着输出转矩，并通过它施加定转子间的预压力的功能。在厘米级行波超声波电机中，考虑到转子的低密度、小惯量及摩擦系数等要求，本文选择紫铜作为转子的材料。在进行电机转子的设计时，主要需要考虑的是转子的柔性及定转子的静态径向弯曲配合，并由此确定转子的结构和尺寸。3.4.1 超声波电
20、机转子的柔性要求由定转子接触模型可知，振动的定子与转子间的接触变形对于将齿端的周向振动通过摩擦力转换为转子的运动是非常必要的，并要求在波峰处有一定的接触长度，如图 3-11 所示。转子通过柔性变形能够减小摩擦接触中的滑动损耗，从而优化电动机的性能。对于图3.8二维定转子接触模型而言，由垂直振动引起的接触压力沿周向按正弦规律变化，定子表面的周向速度也按正弦变化，为了避免与波峰的低速或者反方向的速度区域接触，接触长度略小于半个波长，此时往往由摩擦层的变形来实现定转子的摩擦驱动。Maeno等人分析了刚性硬转子与软转子接触面对电动机性能的影响，指出了硬耐磨表面的转子可以通过其结构的变形获得转子的柔性，
21、能够消除由于高聚物摩擦层振动损耗而损失的效率。其单纯的转子柔性可通过在接触区域采用柔韧的腔结构或者带结构来获得，如佳能公司的环形行波超声波电动机转子结构，也可以通过使用泡沫金属复合物材料的转子来获得。转子的柔性通常可由摩擦层的柔性和转子的结构合成，在垂直振动下可产生变形，从而实现良好的定转子接触。目前大多数的电动机都同时利用转子结构和摩擦层的柔性。如图 3.8 转子柔性与接粗面变形湘潭大学兴湘学院263.4.2 定转子径向弯曲配合由于超声波电机是基于摩擦驱动机理工作的，使用寿命是超声波电机实用化生产的一大障碍，为了提高寿命，可以增加定转子的接触面积，减小预压力，从而降低摩擦层的损耗和增加其使用
22、寿命。为了能够使行波超声波电动机输出很大的力矩，常需要在定转子间施加相当大的轴向预压力，此预压力的施加常通过轴向定转子变形产生，这会使定转子沿径向弯曲，由于径向弯曲的存在，使得定转子的实际接触面积大大减小，压力分布不均匀，定子转子的内径接触方向迅速磨损，如图3.9所示为早期的超声波电机定转子的径向弯曲效应和定子径向磨损情况。大量的磨损是由于定转子接触面积减小，局部接触压力过大引起的。而且，接触压力使得摩擦材料内部循环应力增大，造成极大的损耗和发热。Minotti等使用ANSYS对定转子接触情况进行了计算，结果表明：存在径向弯曲效应的电动机的局部接触压力是接触区域无径向弯曲效应情况下的10倍以上
23、。如图3.9 早期超声波电机定、转子接触及磨损情况由于定转子径向弯曲效应的存在，需要相应改变定转子结构设计，以配合径向弯曲效应，使定转子能够平行接触。定转子的径向弯曲配合能够增加接触宽度，使接触压力沿齿的整个径向距离均匀分布，极大地降低了局部接触压力，从而显著地减少材料磨损。另外，在保持周向接触比和压力不变的情况下，增加接触宽度，能够使加到转子上的周向预压力显著增加，因而使径向压力分布均匀，并在不增加局部压力和摩擦层磨损率的情况下提高行波超声波电动机的机械性能。根据参考文献 考虑定转2,10子径向弯曲配合的定转子结构设计如图 3.10 所示。该转子结能使磨损均匀分布在整个接触区域，大大降低了摩
24、擦层磨损，且由于压力降低，摩擦层的损耗随之减小另外，定转子接触表面的加工精度是关系到定子的振动能能否有效地转化为转子转动能的关键，其平面度和粗糙度对电机运行噪声、能量转化效率、运行平稳性等性能影响很大。所以，转子与定子接触的表面要进行研磨，保证表面的平面度和粗糙度。需要完整说明书、图纸请加叩叩 153893706装配时，定转子必须保持面接触，使预压力在整个面上均匀分布。3.4. 摩擦层的设计超声波电机的摩擦材料必须满足：耐磨、耐高温、摩擦系数稳定性好等特点。较大的摩擦系数可以获得较大的输出转矩和较高的能量传递效率，但是如果结构设计或定 转子材料选择等环节处理不当的话，则可能发生磨损率高，电机不
25、稳定等特点。据参考文献 摩擦 层最佳的参数选择是：弹性模量300Mpa、厚度为0.2mm、摩擦10系数为0.2。3.5 定转子设计的总结对于超声波电机定、转子的校核，不像我们平时学习的电机，有确切的验算数学公式。目前为止，还没有推导出，比较成熟的公式对其进行校核，对于现阶段，我们一般根据经验公式设计出超声波电机的样机结构，在利用仿真软件，对其进行仿真测试，然后判定其是否合格。因为本人在此次论文中，未涉及软件仿真，故未进行有效地验算，不过，行波型超声波电机是目前所有典型超声波电机中力矩最小的一种。它的力矩比吊床上的小风扇的力矩还小，一般连 0.1NM的力矩都不到，故根据经验而言，所设计的定、转子
26、的初步结构是基本符合要求的。图3.10 定转子的弯曲配合设计图湘潭大学兴湘学院28第 4 章 样机整体结构设计1、底座 2、压电陶瓷片 3、定子 4、压盖 5、转子 6、上轴套 7、碟簧8、轴承 9、开槽螺钉 10、下轴套 11、调整垫圈图 4.1 超声波电机的的二维结构图应用本文有关设计参数和指标，设计的行波型超声波电机的实际样机结构如图 4.1所示。主要由压电陶瓷（激振部分） 、定子、转子等构成。定子和转子之间需要有加压装置，主要通过蝶簧来施加，并保证定子与转子在接触面上，预压力能均匀分布。在前面讨论了行波型超声波电机的定子和转子的设计。下面需要对超声波电机输出轴进行设计分析。超声波电机输
27、出轴的特点是：低转速、大力矩轴。在轴上分布有定子、转子、碟簧、平面轴承，轴两端有滑动轴承。超声波电机的输出轴主要起到三个作用：首先是要通过超声波电机的输出轴传递定子和转子之间的预压力；通过输出轴传递运动和动力的作用；通过轴起到装配定位的作用。因此，对轴的有较高的同轴度和垂直度要求。在超声波电机轴的精加工前要对其进行热处理，这样可以避免在加需要完整说明书、图纸请加叩叩 153893706工过程中产生热变形。由于超声波电机定子表面振幅一般只有几个微米，因而定转子配合、预压力施加装置的配合等装配过程引入的误差都会导致电机效率的下降、机械摩擦噪声增加及转动不平稳等问题的出现。装配时，定转子的配合必须保证为面接触、接触压力均匀分布，而且定转子接触的偏差应该允许碟簧等通过预压力进行细微的调整。装配完成后，要对超声波电机整体进行连续运行，循环正反切换运行等试运行，以使粘结层内部应力释放，各种阻尼及物理限制减弱，接触面进一步磨合，从而使电机的运行性能进入稳定运行期。
