旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文[帶圖紙]

1、<p><b>　　編號</b></p><p><b>　　無錫太湖學(xué)院</b></p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題目： 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) </p><p>　　信機(jī) 系 機(jī)械工程及自

2、動化 專業(yè)</p><p>　　學(xué) 號： 　　　 　　　　</p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： 　 （職稱：副教授 ）</p><p>　　2013年5月25日</p><p>　　無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>&l

3、t;b>　　誠 信 承 諾 書</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。</p><p>　　班 級： 機(jī)械94 <

4、;/p><p>　　學(xué) 號： 0923206 </p><p>　　作者姓名： </p><p>　　2013 年 5 月 25 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　超聲電機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，激勵彈性體產(chǎn)生諧振作用，把電

5、能轉(zhuǎn)換成微米級振幅的振動，再依靠定子和轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生的摩擦耦合將這細(xì)微振動擴(kuò)大為轉(zhuǎn)子及與之相聯(lián)的軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，具有質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、高效率、低噪音、低速大轉(zhuǎn)矩和可以直接驅(qū)動負(fù)載等特點(diǎn)。在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)學(xué)與許多重要領(lǐng)域等具有廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　適應(yīng)于工程上對超聲電機(jī)的需要，本文設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機(jī)，主要完成了以下工作：</p><p>

6、　　1.總結(jié)分析了國內(nèi)超聲電機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展及所存在的問題；</p><p>　　2.闡釋了旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的運(yùn)動機(jī)理；</p><p>　　3.利用ANSYS軟件建立了超聲電機(jī)定子的數(shù)學(xué)模型，利用模型對定子的工作模態(tài)進(jìn)行分析并計(jì)算，確定超聲電機(jī)的定子的工作模態(tài)；</p><p>　　4.完成了直徑超聲電機(jī)的裝配圖和零件圖的設(shè)計(jì);</p><p

7、>　　關(guān)鍵詞：超聲電機(jī)；模態(tài)分析；設(shè)計(jì)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Ultrasonic Motor uses the effect of Piezoelectric from Piezoelectric ceramic, and it produce the effect of resonance excitati

8、on by the Active Materials. That the electrical energy transform to the micro-deformations. To propel the rotor and the drive shaft connected to it though the amplification of the micro-deformation of the active material

9、 that depends on friction at the interface between rotor and stator.The Ultrasonic Motor offer light mass, simply constructions, high torque density at low</p><p>　　Projects adapted to the needs of the ultra

10、sonic motor, In this paper, the design a rotary traveling wave type ultrasonic motor, the main completed the following work:</p><p>　　Summary analysis of the domestic status of ultrasonic motor technology,

11、development and the problems;</p><p>　　To explain the rotary traveling wave ultrasonic motor of the movement mechanism;</p><p>　　The use of ANSYS software, the establishment of a ultrasonic moto

12、r mathematical model, using the model of the work of the stator modal analysis and calculation to determine a stator ultrasonic motor mode of work;</p><p>　　Completed a ultrasonic motor assembly drawings and

13、 parts of the design plan;</p><p>　　Key word: Ultrasonic Motor ; Modal Analysis; Design</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘 要錯誤!未定義書簽。</p><p>　　AbstractIV</

14、p><p><b>　　目錄V</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 超聲電機(jī)的定義1</p><p>　　1.2 超聲電機(jī)的特點(diǎn)1</p><p>　　1.3 超聲電機(jī)的發(fā)展歷史2</p><p>

15、　　1.4 超聲電機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展前景4</p><p>　　1.5 本次課題的研究方向及安排4</p><p>　　2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理5</p><p><b>　　2.1 引言5</b></p><p>　　2.2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.3

16、超聲電機(jī)的工作原理5</p><p>　　2.4 壓電陶瓷的工作原理6</p><p>　　2.5 定子行波的產(chǎn)生7</p><p>　　2.6 定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動分析9</p><p>　　2.7 本章小結(jié)11</p><p>　　3 定子模態(tài)分析計(jì)算12</p><p><b

17、>　　3.1 導(dǎo)言12</b></p><p>　　3.2 固有頻率的理論計(jì)算12</p><p>　　3.2.1 共振頻率計(jì)算12</p><p>　　3.2.2 共振振幅的計(jì)算14</p><p>　　3.3 定子建模分析15</p><p>　　3.3.1 ANSYS軟件簡介15&

18、lt;/p><p>　　3.3.2 ANSYS定子建模16</p><p>　　3.3.3 定子分析18</p><p>　　3.4 本章小結(jié)20</p><p><b>　　4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22</b></p><p><b>　　4.1 導(dǎo)言22</b></p&g

19、t;<p>　　4.2 設(shè)計(jì)流程22</p><p>　　4.3 定子機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.3.1 定子內(nèi)外徑設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.3.2 模態(tài)階數(shù)選擇和振動模態(tài)設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.3.3 定子厚度25</p><p>　　4.3.4 驅(qū)動齒設(shè)計(jì)25&

20、lt;/p><p>　　4.3.5 內(nèi)支撐板設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.4 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.5摩擦層設(shè)計(jì)27</p><p>　　4.6 設(shè)計(jì)結(jié)果27</p><p>　　4.7 電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果裝配結(jié)構(gòu)28</p><p>　　4.8 本章小結(jié)30</p&

21、gt;<p>　　5 結(jié)論與展望31</p><p>　　5.1 全文主要內(nèi)容31</p><p>　　5.2 工作展望31</p><p>　　5.3 心得體會31</p><p><b>　　致 謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33&l

22、t;/b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 超聲電機(jī)的定義</p><p>　　超聲電機(jī)又叫做超聲馬達(dá)。超聲電機(jī)利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)。實(shí)現(xiàn)電能對機(jī)械能的轉(zhuǎn)化。相對于傳統(tǒng)電機(jī)不同，超聲電機(jī)是利用超聲波頻率范圍內(nèi)的機(jī)械震動作為驅(qū)動源的驅(qū)動器。超聲電機(jī)的英文名為Ultrasonic motor。簡稱

23、為USM。</p><p>　　1.2 超聲電機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　超聲電機(jī)是一種新型的電機(jī)，它與傳統(tǒng)意義上的電機(jī)無論是在使用上還是原理上都有很大的不同。超聲電機(jī)具有以下幾個特點(diǎn)</p><p>　　1）超聲電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換方式不同于傳統(tǒng)電機(jī)。傳統(tǒng)的電機(jī)，如異步電機(jī)等是通過電場的相互作用醬電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子并不直接接觸，定轉(zhuǎn)子間是有間隙的。通過

24、電源供電產(chǎn)生電能，經(jīng)過定子和轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生磁場，磁場力作用于轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生機(jī)械能?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)電機(jī)的機(jī)械能主要靠電磁感應(yīng)作用由電能轉(zhuǎn)化而來。而超聲電機(jī)不同于傳統(tǒng)電機(jī)，超聲電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子是靠摩擦耦合將動力轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子或滑塊運(yùn)動，定子和轉(zhuǎn)子是需要直接接觸。因?yàn)槌曤姍C(jī)不靠電磁感應(yīng)原理來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，所以超聲電機(jī)不需要刺激和繞組。超聲電機(jī)利用逆壓電效應(yīng)，在定子上粘貼上壓電陶瓷元件，同時對壓電陶瓷原件上施加交變電壓，使定子產(chǎn)生高頻機(jī)械振動，振動產(chǎn)

25、生的定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力使轉(zhuǎn)子做定向的回轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動。所以超聲電機(jī)存在兩種能量轉(zhuǎn)換1.壓電陶瓷利用逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能對機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。2.定轉(zhuǎn)子之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換[1]。</p><p>　　2）超聲電機(jī)具有轉(zhuǎn)速低轉(zhuǎn)矩大的特點(diǎn)。圖1.1和圖1.2分別為電磁電機(jī)和超聲電機(jī)的轉(zhuǎn)矩/效率-速度曲線圖。由圖可見，超聲電機(jī)在小轉(zhuǎn)矩，大轉(zhuǎn)速的情況下效率高。而在低速大轉(zhuǎn)矩的情況下效率則比較低下。</p>&l

26、t;p><b>　　圖1.1圖1.2</b></p><p>　　3）超聲電機(jī)具有體積較小，重量輕。超聲電機(jī)依靠定子和轉(zhuǎn)子的摩擦耦合獲得機(jī)械能，不需要線圈和磁鐵，因此相較于普通電機(jī)超聲電機(jī)在相同轉(zhuǎn)矩情況下?lián)碛休^小的體積和更輕的重量。</p><p>　　4）無電磁干擾和電磁噪聲，電磁兼容性好。因?yàn)槌曤姍C(jī)沒有磁極，所以不收外界電磁的影響，自身也沒有電磁感應(yīng)的影

27、響。因此超聲電機(jī)適合在強(qiáng)磁場的環(huán)境下工作。</p><p>　　1）超聲電機(jī)具有耐低溫的特性，適合在真空的環(huán)境下運(yùn)行，如在太空中。超聲電機(jī)的定轉(zhuǎn)子具有直接物理接觸。當(dāng)斷電后，在靜摩擦力的作用下仍能保持很大力矩。</p><p>　　2)結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)形式自由度大，可以根據(jù)需要改動電機(jī)的設(shè)計(jì)</p><p>　　雖然超聲電機(jī)在半個世紀(jì)來的發(fā)展下已經(jīng)具有很有傳統(tǒng)電機(jī)不具

28、有的很多優(yōu)良的性能，但是一些不足之處仍然存在</p><p>　　3）超聲電機(jī)使用壽命短</p><p><b>　　4）成本高昂</b></p><p>　　在高溫環(huán)境下或者在長時間工作使超聲電機(jī)自身溫度上升之后，壓電陶瓷在高溫下物理特性會發(fā)生變化，影響電機(jī)的參數(shù)，導(dǎo)致電機(jī)性能的變化。</p><p>　　綜上所述，超

29、聲電機(jī)在有些地方還是有許多不足的地方，但是，不可否認(rèn)的是超聲電機(jī)具有它獨(dú)有的優(yōu)越性能。而隨著科技的發(fā)展，超聲電機(jī)的部分缺點(diǎn)也在慢慢的被克服。因此在本次的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該做到取長補(bǔ)短，盡可能的把超聲電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到最大，同時把超聲電機(jī)缺點(diǎn)影響降至最小[2-4]。</p><p>　　1.3 超聲電機(jī)的發(fā)展歷史</p><p>　　超聲電機(jī)的制作設(shè)計(jì)到許多領(lǐng)域的科學(xué)成果，包括機(jī)械，聲學(xué)，摩擦，振動

30、，等很多方面的學(xué)科及領(lǐng)域。超聲電機(jī)的出現(xiàn)以及發(fā)展取決于很多方面的突破，如壓電陶瓷材料的發(fā)現(xiàn)及改進(jìn)。大致來說，超聲電機(jī)的發(fā)展可以分為三個階段，即超聲電機(jī)概念階段、具有實(shí)用前景的樣機(jī)階段和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用階段。</p><p>　　1880年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)壓電效應(yīng)，但是受當(dāng)時的科學(xué)水平所限，對于壓電效應(yīng)的應(yīng)用僅僅處于一個很狹小的領(lǐng)域，只局限于水聲和電聲器件。20世紀(jì)40年代初，美蘇科學(xué)家同時發(fā)現(xiàn)了BaTiO3陶瓷的鐵

31、電性，這對壓電陶瓷的發(fā)展產(chǎn)生。 重要的意義。1942年，美國學(xué)者Williams和W.Brown申請了第一個超聲電機(jī)的模型專利。如圖為第一個超聲電機(jī)的模型，四片壓電陶瓷分為兩組粘貼在截面為正方形的長條彈性體的兩個側(cè)面上，對其施加兩相相位差為90º的交變電壓激勵，能夠在長條彈性體中激勵起兩個方面和頻率相同的彎曲震動，從而在彈性體端部質(zhì)點(diǎn)做橢圓搖擺運(yùn)動，此橢圓搖擺運(yùn)動就可以驅(qū)動壓在其上的轉(zhuǎn)子或者移動體。此模型類似于如今的桿式超聲電

32、機(jī)。但是因?yàn)楫?dāng)時的技術(shù)水平已經(jīng)材料方面的問題所制約，這個模型最終沒能變成一個真正的樣機(jī)。</p><p>　　圖1.3 最早的超聲電機(jī)設(shè)想模型</p><p>　　在此之后，壓電陶瓷的技術(shù)革新在不斷的進(jìn)行。1942年S.Robert 發(fā)現(xiàn)在BaTiO3陶瓷上施加直流偏壓，該陶瓷會呈現(xiàn)強(qiáng)的壓電效應(yīng)。1954年賈非等發(fā)現(xiàn)PZT有良好的壓電節(jié)點(diǎn)性能。這些壓電材料的豐富和進(jìn)步，以及科技水平的發(fā)展，

33、超聲電機(jī)的研究在這樣的環(huán)境下得到了很快的進(jìn)步和提升。1961年，日本Bulova鐘表公司研制出一種新型鐘表，該鐘表利用音叉的往復(fù)位移撥動棘輪而獲得驅(qū)動。該鐘表的精確度相當(dāng)高，僅有1min的月誤差。這種領(lǐng)先于當(dāng)時科技水平的鐘表，造就了超聲電機(jī)的樣機(jī)雛形。1963年，蘇聯(lián)科學(xué)家設(shè)計(jì)出了一臺利用軸向彎曲耦合振動的振動片型超聲電機(jī)，并且由此總結(jié)解釋出了超聲電機(jī)的工作原理。1972年前后，德國西門子和日本松下兩家公司研究出了利用電諧振工作的直線驅(qū)

34、動機(jī)械，這種機(jī)械擁有高達(dá)輸完赫茲的振頻，但是卻因?yàn)檎穹^小，無法發(fā)揮較大的實(shí)用價(jià)值。1987年，前蘇聯(lián)科學(xué)家研究出一種能驅(qū)動較大負(fù)載的超聲電機(jī)。這種電機(jī)是利用振動片的縱向振動和彎曲振動，再通過摩擦耦合，把機(jī)械能傳遞給轉(zhuǎn)子。</p><p>　　1980年，日本科學(xué)家指田年生在蘇聯(lián)科學(xué)家的研究基礎(chǔ)上，成功制造出一種駐波型超聲電機(jī)。這種電機(jī)的工作頻率為27.8KHz，電壓300V，輸入功率90W，輸出功率50W，轉(zhuǎn)速

35、2000r/min,機(jī)械效率為55%。這是世界上第一臺能應(yīng)用于實(shí)際中的超聲電機(jī)。但是這部電機(jī)在使用過程中磨損十分嚴(yán)重，嚴(yán)重影響電機(jī)的使用壽命。1982年，指田年生發(fā)明了行波型超聲電機(jī)，該電機(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)不間斷接觸推動轉(zhuǎn)子運(yùn)動，大大的降低了電機(jī)的磨損，延長了電機(jī)的壽命。1985年，指田年生在美國申請了其專利，并且闡述分析了其工作原理以及超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)。1987年，松下公司在指田年生的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對超聲電機(jī)的定子做出了

36、改進(jìn)。擴(kuò)大的定子的振幅，大大的提高了超聲電機(jī)的效率。在此之后，世界各國也發(fā)現(xiàn)了超聲電機(jī)的研究價(jià)值，如美國，英國，土耳其等國家也相繼開始加入了對超聲電機(jī)的研究。時至今日，超聲電機(jī)的研究仍在繼續(xù)。</p><p>　　我國對于超聲電機(jī)的研究開始于上世紀(jì)90年代，相較于其他一些發(fā)達(dá)國家起步較晚，所以對于超聲電機(jī)的研究與其他國家仍然具有一定的差距，所以，我國需要在超聲電機(jī)方面獲得更大的成就，需要與其他國家相互學(xué)習(xí)印證，完

37、善我國在超聲電機(jī)領(lǐng)域的知識，爭取縮小與其他國家的差距[5]。</p><p>　　1.4 超聲電機(jī)的應(yīng)用及發(fā)展前景</p><p>　　由上所述的超聲電機(jī)所具有的的有點(diǎn)，自超聲電機(jī)被研究問世以來始終在不同的進(jìn)步和發(fā)展。目前超聲電機(jī)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用于很多方面，超聲電機(jī)體積小重量輕，無磁場干擾等優(yōu)點(diǎn)在航天航空，計(jì)算機(jī)，汽車，精密儀器等方面取得了良好的應(yīng)用。如航空航天的應(yīng)用，因?yàn)槌曤姍C(jī)具有真空工

38、作的良好性能，并且適合于精密儀器，所以美國早在太空機(jī)器人的微型儀器機(jī)械臂和微型桅桿式機(jī)械臂上等部位應(yīng)用了超聲電機(jī)。在我們生活中，如醫(yī)院，影院等地方對噪聲要求低，所以窗簾的驅(qū)動元件往往應(yīng)用了超聲電機(jī)。由此可見，超聲電機(jī)應(yīng)用于生活中各個方面。 </p><p>　　超聲電機(jī)的發(fā)展前景一樣十分廣闊，在我國，超聲電機(jī)在未來同樣可以應(yīng)用在很多方面</p><p>　　1） 航空航天領(lǐng)域。我國在航空航

39、天領(lǐng)域一向走在世界的前端。載人航天技術(shù)也僅次于美國與俄羅斯位列世界第三。在未來的航空航天領(lǐng)域中，超聲電機(jī)相對于傳統(tǒng)電機(jī)體積小重量輕以及真空環(huán)境下的良好性能將會作為航天領(lǐng)域電機(jī)的主要選擇。對于減少飛船的質(zhì)量，增加可控性等方面都能有良好的改善</p><p>　　2） 車輛上的應(yīng)用。在未來的車輛發(fā)展中，一些大型的或豪華的汽車中往往會需要多達(dá)數(shù)十個電機(jī)，此時減少電機(jī)的體積和質(zhì)量將變得十分必要。超聲電機(jī)具有這方面的優(yōu)勢。

40、所以，未來的汽車行業(yè)，超聲電機(jī)在這方面的應(yīng)用將會大有作為</p><p>　　3） 磁懸浮列車的應(yīng)用。磁懸浮列車上具有很強(qiáng)的磁場，傳統(tǒng)電機(jī)在強(qiáng)磁場干擾下極易失效，這時超聲電機(jī)的優(yōu)越性能將完全取代傳統(tǒng)的電磁電機(jī)。</p><p>　　由于超聲電機(jī)良好的性能，他沒有電磁繞組和此路，拋棄了傳統(tǒng)電機(jī)的電磁感應(yīng)產(chǎn)生能量，改用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，使得其具有精度高，體積小，不受磁場影響等特點(diǎn)。這給了超

41、聲電機(jī)的發(fā)展一個良好的基礎(chǔ)，過去的短短30年間，從超聲電機(jī)開始工程實(shí)用化以來，超聲電機(jī)已經(jīng)在很多方面發(fā)揮著其作用，而未來的研究發(fā)展中，解決了超聲電機(jī)目前所存在的缺點(diǎn)后，超聲電機(jī)將有可能取代部分電磁電機(jī)。因此深入研究超聲電機(jī)不僅具有重要的理論價(jià)值，同樣具有重要的實(shí)際意義[6]。</p><p>　　1.5 本次課題的研究方向及安排</p><p>　　本次課題需要對超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。首

42、先需要對超聲電機(jī)起源以及目前的現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行展望。其次將對超聲電機(jī)的工作原理進(jìn)行詳細(xì)的分析模擬計(jì)算。接著將對超聲電機(jī)的原理和特點(diǎn)，利用解析法以及有限元分析法，對超聲電機(jī)的振動模態(tài)進(jìn)行分析，提高設(shè)計(jì)出的超聲電機(jī)的可靠性。最后將對超聲電機(jī)的各部件尺寸及材料進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證能完整的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出超聲電機(jī)。</p><p>　　2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理</p><p><b>　

43、　2.1 引言</b></p><p>　　行波超聲電機(jī)依靠定子產(chǎn)生的行波。并且靠定轉(zhuǎn)子之間的摩擦得到力矩，使轉(zhuǎn)子得到驅(qū)動力產(chǎn)生運(yùn)動。超聲電機(jī)是一種不同于傳統(tǒng)電機(jī)的一種新型電機(jī)。因此需要對此電機(jī)進(jìn)行詳盡的分析以確保設(shè)計(jì)的電機(jī)能有最好的性能。本章將對超聲電機(jī)的工作原理進(jìn)行分析，為后續(xù)電機(jī)的設(shè)計(jì)做鋪墊。</p><p>　　2.2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)</p>

44、<p><b>　　圖2.1</b></p><p>　　如圖2.1所示為旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開圖。由圖可以看出，定子是由定子彈性體，內(nèi)圈以及壓電陶瓷片三部分組成。壓電陶瓷片依靠粘貼層粘貼在定子外圈上。而超聲電機(jī)主要靠定子彈性體產(chǎn)生行波，所以定子是超聲電機(jī)的主要部件。定子的設(shè)計(jì)也將是電機(jī)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。其次設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子需要和定子直接產(chǎn)生物理接觸從而產(chǎn)生摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子運(yùn)動，所以

45、定子在設(shè)計(jì)有驅(qū)動齒的同時轉(zhuǎn)子表面需要涂覆一層摩擦材料作為摩擦層。定子和轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)使本文的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容。另外還有一些其他的部件如蝶簧，軸承以及防止定子的底座和殼體。這些部件都有其特殊的功能。這額部件的合理設(shè)計(jì)才能使得超聲電機(jī)正常完美的運(yùn)轉(zhuǎn)。該電機(jī)具有體積小結(jié)構(gòu)簡單，扭矩與體積比值大，輸出力矩和轉(zhuǎn)速大的特點(diǎn)。</p><p>　　2.3 超聲電機(jī)的工作原理</p><p>　　旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)

46、是目前使用最廣泛的一種超聲電機(jī)。旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)依靠定子振動產(chǎn)生行波，從而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。如圖所示，定子斷面粘貼有A、B兩組壓電陶瓷片。當(dāng)壓電陶瓷片產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)后，定子上會產(chǎn)生兩個時間和空間上相差90°的同頻率，等幅值的駐波彎曲振動，這兩個駐波在定子內(nèi)部產(chǎn)生線性疊加，形成彎曲行波。產(chǎn)生的行波會使定子表面指點(diǎn)做橢圓運(yùn)動。定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合使得定子表面的橢圓運(yùn)動帶動轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。</p><p>　　

47、因此，超聲電機(jī)的工作過程大致分為兩大部分：1.壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)帶動定子的振動。2.定子質(zhì)點(diǎn)依靠摩擦耦合帶動轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為圓板結(jié)構(gòu)時，這種超聲電機(jī)則為旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)，如圖2.2所示。</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　2.4 壓電陶瓷的工作原理</p><p>　　壓電陶瓷是超聲電機(jī)的核心

48、材料，是超聲電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動來源于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激勵。壓電陶瓷是超聲電機(jī)能量轉(zhuǎn)換的橋梁。所以對壓電陶瓷的了解是設(shè)計(jì)超聲電機(jī)必不可少的一部分，對于設(shè)計(jì)好超聲電機(jī)，提高電機(jī)性能有著巨大的作用</p><p>　　1880年，居里夫婦發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，于是越來越多的人開始研究將壓電效應(yīng)應(yīng)用于工程。在20世紀(jì)40年代開始，人們開始發(fā)現(xiàn)各種具有良好的壓電性能的材料，并有效地將至運(yùn)用于工程之

49、中。</p><p>　　(a) 極化前的電疇取向 (b) 極化后的電疇取向</p><p>　　圖2.3 壓電陶瓷中的電偶極子</p><p>　　壓 電 陶 瓷 本 身 是 一 種 鐵 電 體 ， 在 沒 有 經(jīng) 過 極 化 之 前不 具 有 壓 電 性 。 在 微 觀 上 ， 壓 電 陶 瓷 可 以 當(dāng) 成 是 許 多

50、無 規(guī) 則 取 向 的 鐵 電 晶 體 構(gòu) 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 了 讓 其 具 有 壓 電 性 ， 就 需 要 對 其 進(jìn) 行 極 化 ， 即 需 在 壓 電 陶 瓷 片 上 施 加 很 高 的 直 流 極 化

51、 電 場 ， 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 后 ， 由 于 鐵 電 晶 體 具 有 類 似 磁 滯 的 “ 電 滯 回 線 ” 特 性 ， 從 而 會 使 壓 電 陶 瓷 中 仍 能 保 留 一 定 的 剩 余 電 場 。 當(dāng) 在 此 剩 余 電 場 上 疊</p><p>　　當(dāng) 把 交

52、變 電 場 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 發(fā) 出 壓 電 陶 瓷 的 振 動 模 式 ， 這 時 壓 電 陶 瓷 就 成 為 了 一 個 壓 電 振 子 。 壓 電 振 子 典 型 振 動 模 式 主 要 有 ： 垂 直 于 電 場 方 向 的 長 度 伸 縮 振 動 （ 簡 稱 L E ） 、 平 行 于 電 場 方 向 的 厚 度 伸 縮 振 動 （ 簡 稱

53、T E ） ， 垂 直 電 場 平 面 內(nèi) 的 平 面 切 變 振 動 （ 簡 稱 F S ） 和 平 行 于 電 場 平 面 的 厚 度 切 變 振 動 （ 簡 稱 T S ） 等 四 種 類 型 ， 如 圖 2 . 4 所 示 。 設(shè) 計(jì) 壓 電 振 子 時 ， 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 模 式 。 其 中 ， 板 式 旋 轉(zhuǎn) 行 波 超 聲

54、電 機(jī) 利 用 的 是 壓 電 陶 瓷 的 LE 模 式 的 振 動 [7] 。</p><p>　　2.5 定子行波的產(chǎn)生</p><p>　　圖2.5定子有限元模型</p><p>　　圖2.6超聲電機(jī)A相振型</p><p>　　圖2.7 超聲電機(jī)B相振型</p><p>　　如 圖 2 . 6 和 圖 2 .

55、7 定 子 沿 圓 周 波 數(shù) 為 4 的 2 個 正 交 模 態(tài) 的 振 型 ， 可 稱 作 A 相 和 B 相 。 A 相 振 型 和 B 相 振 型 在 空 間 上 相 差 1 / 4 個 波 長 ， 相 位 相 差 9 0 ° ， 所 以 為 正 交 模 態(tài) ， 用 振 型 函 數(shù) ψ A （ r , θ ) 來 描 述 這 個 振 型 ：</p><p>　　可 得 A 相 振 型 駐 波 方

56、 程 ：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　因?yàn)槎ㄗ影鍨檩S對稱結(jié)構(gòu)，和A相振型相差任意角度的振型都振型，因此，選擇與A相振型相差，可得到B相駐波方程:</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　根據(jù)線性波疊加原理可得：</p>

57、<p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　由式（2.3）可知，定子這時由正向行波，反向行波和駐波構(gòu)成。</p><p>　　當(dāng)時，即A,B相同頻，等幅和空間時間上都超前時，此駐波疊加為一個正向行波：</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　當(dāng)

58、時，即A,B相同頻，等幅和空間時間上都落后時，此駐波疊加為一個反向行波：</p><p><b>　?。?.5）</b></p><p>　　由此可得，定子內(nèi)的行波是基于和固有頻率的兩個正交同振型在時間上相差90°作固有振動疊加成的。所以行波的有效激發(fā)條件是空間上相差時間上也相差。由此可見，只需改變兩相駐波間激勵時差，可以輕易的改變行波方向，從而能夠?qū)崿F(xiàn)超聲

59、電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。</p><p>　　2.6 定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動分析</p><p>　　行 波 的 形 成 是 超 聲 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 運(yùn) 動 的 能 量 來 源 ，而 為 了 了 解 行 波 在 轉(zhuǎn) 子 中 的 運(yùn) 動，則 需 要 對 定 子 表 面 質(zhì) 點(diǎn) 運(yùn) 行 軌 跡 進(jìn) 行 分 析 。</p><p>　　對 于 帶 有 帶 內(nèi) 支 撐 板 的 環(huán) 形 定

60、子 ， 因 內(nèi) 支 撐 板 較 薄 且 質(zhì) 量 小 ， 故 可 以 忽 略 支 撐 板 的 影 響 ， 視 該 定 子 為 一 個 環(huán) 形 薄 板 。 另 外 ， 考 慮 到 的 定 子 環(huán) 上 的 齒 的 寬 度 較 小 ， 故 可 忽 略 定 子 環(huán) 的 運(yùn) 動 沿 徑 向 的 變 化 ， 用 定 子 環(huán) 的 平 均 半 徑 即 r m = ( r 1 + r 2 ) / 2 所 對 應(yīng) 的 圓 周 面 上 的 行 波 來 表 示

61、定 子 的 行 波 運(yùn) 動 ， 這 里 ， r 1 、r 2 分 別 表 示 定 子 環(huán) 的 外 徑 。 顯 然 ， 中 徑 r m 對 應(yīng) 的 圓 周 上 的 行 波 可 描 述 為 </p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式 中，表 示 半 徑 為 的 圓 柱 面 上 的 彎 曲 行 波 波 幅 。 為 便 于 分 析 ， 現(xiàn) 將

62、半 徑 為 的 圓 柱 面 展 開 為 矩 形 ， 同 時 給 矩 形 賦 與 一 定 厚 度 （ 定 子 環(huán) 的 寬 度 ） ， 這 樣 就 得 到 一 個 彈 性 </p><p>　　等 截 面 直 梁 ， 顯 然 圓 柱 面 和 矩 形 面 的 幾 何 對 應(yīng) 關(guān) 系 為 </p><p><b>　?。?.7）</b></p><p&g

63、t;　　將上式代入（2.6）后，可得</p><p><b>　?。?.8）</b></p><p>　　為了方便書寫，引入記號：</p><p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　式中，為定子在半徑為的圓周上的行波的波長。這樣就得到了定子所對應(yīng)的等截面彈性直梁的彎曲行波運(yùn)動方程&

64、lt;/p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　直梁的波動狀態(tài)如圖2.8所示。下面考察彈性梁表面上的任意一個質(zhì)點(diǎn)P。P到定子中性層的距離為。在梁未發(fā)生彎曲變形前，該質(zhì)點(diǎn)處于P0位置。在直梁產(chǎn)生</p><p>　　行波彎曲振動后的第t時刻，質(zhì)點(diǎn)P因其所處的橫截面偏轉(zhuǎn)而從位置P0運(yùn)動到P/。利用圖示幾何關(guān)系，可求得質(zhì)點(diǎn)P在z

65、軸方向（橫向）的位移量為</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　由于行波的波幅遠(yuǎn)小于行波波長，所以梁的截面的偏轉(zhuǎn)角非常小，故可認(rèn)為，這樣有</p><p><b>　　（2.12）</b></p><p>　　可以看出，質(zhì)點(diǎn)P在x軸方向上的位移為</p>

66、<p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　同樣，利用圖2.12中的幾何關(guān)系，可得到梁的彎曲而造成的截面偏角為</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　式（2.14）代入（2.13）后，可得到質(zhì)點(diǎn)P的縱向位移</p><p><b&g

67、t;　?。?.15）</b></p><p>　　結(jié)合考慮（2.12）和（2.13），可推得彈性直梁表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡為</p><p><b>　?。?.16）</b></p><p>　　根據(jù)（2.7），將上述運(yùn)動方程映射到圓周面內(nèi)，得到定子環(huán)表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動方程為</p><p><b>　?。?/p>

68、2.17）</b></p><p>　　由（2.17）可 知，此 式 符 合 橢 圓 的 標(biāo) 準(zhǔn) 方 程，因 此 定 子 端 面 上 任 意一 點(diǎn) 都 作 橢 圓 軌 跡 運(yùn) 動。由 于 產(chǎn) 生 了 橢 圓 運(yùn) 動。因 此，在 預(yù) 壓 力 的 作 用 下，定 子 表 面 各 質(zhì) 點(diǎn) 會 對 1轉(zhuǎn) 子 產(chǎn) 生 摩 擦 驅(qū) 動 力 而 推 動 轉(zhuǎn) 子 轉(zhuǎn) 動，而 且 轉(zhuǎn) 子 的 轉(zhuǎn) 動 方 向 將 與

69、行 波 傳 播 的 方 向 相 反，這 就 是 行 波 超 聲 電 機(jī) 的 運(yùn) 動 傳 遞 機(jī) 理 。從 定 子 表 面 質(zhì) 點(diǎn) 的 運(yùn) 動 方 程 可 以 看 出：當(dāng) 利 用 壓 電 陶 瓷 的 逆 壓 電 效 應(yīng) 在 彈 性 體 上 激 勵 出 了 時 間 上、空 間 上 各 相 差的 兩 個 同 頻 率 等 幅 值 的 駐 波 時，經(jīng) 過 線 性 疊 加 后，形 成了 行 波，使 得 定 子 表 面 質(zhì) 點(diǎn) 產(chǎn) 生 橢 圓 運(yùn) 動

70、，其 橢 圓 軌 跡 的 長 短 軸 之 比 為或 者。</p><p><b>　　2.7 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要對超聲電機(jī)的工作原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，分析了壓電陶瓷，定子，轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系和作用。同時對定子內(nèi)行波產(chǎn)生的過程及條件進(jìn)行了分析。并且分析了定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，得到定子表面質(zhì)點(diǎn)的軌跡方程，為后面的設(shè)計(jì)做好鋪墊。保證后續(xù)的設(shè)計(jì)能夠更加

71、合理。</p><p>　　3 定子模態(tài)分析計(jì)算</p><p><b>　　3.1 導(dǎo)言</b></p><p>　　目前的超聲電機(jī)定子上大多都加工了驅(qū)動齒。長期的試驗(yàn)證明，驅(qū)動齒可以提高定子的表面振幅和運(yùn)動速度，使超聲電機(jī)的工作效率大大提高。因?yàn)轵?qū)動齒的緣故，使用解析法求解工作模態(tài)和固有頻率難度較大，使用傳統(tǒng)方法簡化求解后，結(jié)果與實(shí)際誤差較

72、大。因此可采用有限元分析法進(jìn)行有限元分析?？刹捎糜邢拊治鲕浖Χㄗ舆M(jìn)行固有頻率模擬，再與理論計(jì)算值作對比，驗(yàn)證固有頻率設(shè)計(jì)的合理性。這些分析結(jié)果將為后續(xù)的設(shè)計(jì)做鋪墊，使設(shè)計(jì)出的電機(jī)更加科學(xué)合理。</p><p>　　3.2 固有頻率的理論計(jì)算</p><p>　　3.2.1 共振頻率計(jì)算</p><p>　　圖3-1為超聲電機(jī)定子結(jié)構(gòu)三維圖。其中，驅(qū)動齒在計(jì)算過程

73、中暫時忽略，簡化為無齒定子，如圖3.2所示</p><p>　　圖3.1 定子三維結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　圖3.2 定子簡化圖</p><p>　　假 設(shè) z 方 向 的 撓 曲 位 移 為 ω ， 應(yīng) 用 n 次 B e s e l 函 數(shù) J n 、Y n 、 I n 、 K n 及 其 系 數(shù) A n 、 B n 、 C n 、 Dn ， 根 據(jù) 式 （

74、2 – 9 ） ～ （ 2 – 1 1 ） ， ω 可 表 示 為 </p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　其中振動常數(shù)為，滿足</p><p><b>　?。?.2）</b></p><p>　　其 中 ， E 為 材 料 的 楊 氏 模 量 ；γ 為 柏 松 比 ；

75、 m 為 單 位長 度 的 平 均 質(zhì) 量 ， 即 ， ρ 為 材 料 的 密 度 ； I J 為 橫 截 面 的 二 次 慣 性 矩 ， 即， a 為 截 面 寬 度 ； h 為 壓 電 振 子 的 厚 度 ， 即。</p><p>　　在式（3.1）和式（3.2）中，、、、、為與內(nèi)徑和外徑等變量相關(guān)的系數(shù)，由邊界條件確定。對于不同的，存在、、…分別對應(yīng)于半徑方向不同節(jié)圓數(shù)的振動模態(tài)。對于的振動模態(tài)，由前面的式

76、（3.2），可得圓環(huán)的共振頻率為</p><p><b>　?。?.3）</b></p><p>　　由 圖 3. 1 ( a ) 可 以 看 到 金 屬 圓 環(huán) 中 開 的 尺 槽 ， 這 是 為了 放 大 共 振 振 幅 和 減 小 剛 度 ， 為 了 便 于 研 究 有 齒 定 子 特 性 ， 將 圖 3 . 1 ( a ) 所 示 的 環(huán) 形 超 聲 電 機(jī)

77、的 定 子 展 開 復(fù) 合 梁 如 圖 3 . 2 所 示 。 考 慮 到 復(fù) 合 梁 是 壓 電 陶 瓷 及 金 屬 梁 組 成 ， 在 金 屬 梁 的 上 面 有 齒 槽 。 所 以 直 梁 的 共 振 頻 率 計(jì) 算 公 式 需 要 做 一 些 適 當(dāng) 的 修 改 。 由 梁 的 彎 曲 理 論 可 知 ， 在 中 性 層 上 所 用 正 應(yīng) 力 為 零 。 根 據(jù) 此 條 件 就 可 以 確 定 中 性 層 及 中 性 軸 的

78、位 置 。</p><p>　　在圖3.3中，為壓電陶瓷厚度，為金屬梁厚度，為齒高，為齒寬，為梁寬。設(shè)金屬梁和壓電陶瓷的彈性模量為、，從壓電陶瓷底部至中性層距離為。由于在中性層上所有正應(yīng)力為零，可得下式</p><p><b>　　（3.4）</b></p><p>　　式中，、為金屬梁和壓電片的應(yīng)變，根據(jù)上式可以得到：</p>

79、<p><b>　　（3.5）</b></p><p>　　又因?yàn)閺?fù)合梁的等效剛度為</p><p><b>　?。?.6）</b></p><p>　　式中，，為相對于中性層的慣性矩，即</p><p><b>　?。?.7）</b></p><

80、p>　　備注：式中被積分量z是從中性軸算起。</p><p><b>　　復(fù)合梁的平均密度為</b></p><p><b>　?。?.8）</b></p><p><b>　　也可以表示為</b></p><p><b>　?。?.9）</b>&l

81、t;/p><p>　　由以上各式整理得：復(fù)合梁的共振頻率的計(jì)算公式為</p><p><b>　?。?.10）</b></p><p>　　式中，L為金屬梁的長度[8]。</p><p>　　3.2.2 共振振幅的計(jì)算</p><p>　　由 第 二 章 中 的 超 聲 電 機(jī) 的 工 作 原 理 可

82、 知 ： 超 聲 電 機(jī)的 定 子 振 動 是 由 壓 電 陶 瓷 受 到 電 壓 的 激 勵 產(chǎn) 生 的 。 當(dāng) 在 z 方 向 激 勵 壓 電 陶 瓷 片 時 ， 由 于 逆 壓 電 效 應(yīng) ， 可 在 x 方 向 產(chǎn) 生 應(yīng) 變 ， 此 應(yīng) 變 對 定 子 施 加 彎 曲 力 矩 ， 從 而 使 定 子 產(chǎn) 生 彈 性 撓 曲 。 定 子 在 諧 振 時 的 彈 性 撓 曲 ， 即 定 子 的 振 幅 ， 可 以 用 動 態(tài) 放

83、大 系 數(shù) 以 靜 態(tài) 彈 性 撓 曲 量 來 求 得 。</p><p>　　圖3.4 等效簡支復(fù)合梁 圖3.5復(fù)合梁的彎曲分析單元</p><p>　　圖 3 . 3 中 是 為 環(huán) 形 行 波 超 聲 電 機(jī) 定 子 展 開 而 成 的 等 效 簡 支 復(fù) 合 梁 。 其 中 ， 梁 的 長 度 為 波 長 的 一 半 ， 即 L = 0 . 5

84、λ ； 壓 電 陶 瓷 的 厚 度 為 h p ； 金 屬 梁 的 厚 度 為 h s ； 底 部 到 中 性 層 距 離 為 g 。 </p><p>　　假 設(shè) 壓 電 陶 瓷 的 極 化 方 向 為 z 的 正 方 向 ， 當(dāng) 沿 z 的 正 方 向 施 加 電 壓 ， 壓 電 陶 瓷 將 會 在 z 方 向 上 產(chǎn) 生 彈 性 擴(kuò) 張 ， 并 且 會 在 x 方 向 產(chǎn) 生 彈 性 收 縮 ， 由 此 引

85、 起 復(fù) 合 梁 向 上 撓 曲 。 根 據(jù) 彈 性 動 力 學(xué) 可 知 ， 在 一 定 的 邊 界 條 件 下 ， 可 以 通 過 分 析 應(yīng) 力 與 應(yīng) 變 的 關(guān) 系 確 定 梁 的 彎 曲 曲 率 。 根 據(jù) 這 點(diǎn) ， 就 可 以 確 定 在 等 效 簡 支 復(fù) 合 梁 的 最 大 偏 移 量 。 圖 3 . 5 為 復(fù) 合 梁 的 彎 曲 分 析 單 元 。 從 圖 上 可 以 知 道 ， 當(dāng) 應(yīng) 力 T 1 ( z ) 作

86、 用 于 梁的x方向，梁的彎曲曲率半徑為，沿著無應(yīng)力中性面（圖3.4中的虛線）的 微 小 弧 長 為 d s , 則 有 :</p><p><b>　?。?.11）</b></p><p>　　當(dāng) 梁 的 彎 曲 角 度 小 于 5 ° 時 ， 有</p><p><b>　?。?.12）</b></p&

87、gt;<p>　　式中，為梁變形前中性層的微小單位；為梁的撓曲幅值。</p><p>　　設(shè)為x方向上產(chǎn)生的應(yīng)變，其表達(dá)式為：</p><p><b>　?。?.13）</b></p><p>　　由 力 矩 平 衡 可 知 ： 由 于 無 外 力 矩 作 用 于 梁 上 ， 應(yīng) 力函 數(shù) 與 力 臂 相 乘 后 沿 等 直 梁剖

88、 面 的 積 分 為 零 ， 即 ：</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　　利 用 環(huán) 形 行 波 超 聲 電 機(jī) 定 子金 屬 體 和 壓電 陶 瓷 中 應(yīng) 力— 應(yīng) 變 關(guān) 系 及 簡 支 梁 的 邊 界 條 件 ，可 由 上 式 導(dǎo) 出 簡 支 梁 在 中 點(diǎn) 處 的 最 大 位 移 ω m a x 。 用 簡 支 梁 的 最 大

89、 橫 向 位 移 ω m a x 乘 以 諧 振 時 的 品 質(zhì) 因 子 Q b 即 為 簡 支 梁 的 諧 振 振 幅 ω A m a x ， 也 就 是 環(huán) 形 行 波 超 聲 電 機(jī) 定 子 的 振 幅 。</p><p><b>　　（3.15）</b></p><p>　　在上式中， ，、分別為定子金屬體和壓電陶瓷的剛度常數(shù)；壓電陶瓷的品質(zhì)因子， 為壓電常數(shù)

90、，為定子環(huán)平均半徑，為定子環(huán)振動模態(tài)階數(shù)，為電場強(qiáng)度[9]。</p><p>　　3.3 定子建模分析</p><p>　　3.3.1 ANSYS軟件簡介</p><p>　　有限元分析是計(jì)算機(jī)輔助分析軟件（CAE），ANSYS是有限元分析軟件中功能比較強(qiáng)大的一款。ANSYS包涵用途廣泛，包括可以進(jìn)行流體力學(xué)，機(jī)構(gòu)力學(xué)，結(jié)構(gòu)動力學(xué)等各方面的分析。ANSYS同時包涵

91、一個多用途的有限元計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，能夠求解電磁場，結(jié)構(gòu)，流體等問題。因此在航天航空，電子產(chǎn)品，橋梁，汽車，建筑等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。</p><p>　　ANSYS軟件有三個組成部分：前期處理模塊，分析計(jì)算模塊以及后期處理模塊。前期處理模塊主要用于對所要進(jìn)行分析的產(chǎn)品進(jìn)行定義，如定義網(wǎng)格，坐標(biāo)，材料等數(shù)據(jù)。分析計(jì)算模塊用于對所要進(jìn)行求解的模型進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析，然后對模型進(jìn)行模擬、分析，最后通過求解器進(jìn)行求解。后期處理模塊式

92、用于對分析計(jì)算模塊所得的結(jié)果進(jìn)行再次計(jì)算，包括位移、速度、熱流等。</p><p>　　使用ANSYS做模態(tài)分析是，基本步驟如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 ANSYS模態(tài)分析基本步驟</p><p>　　3.3.2 ANSYS定子建模</p><p>　　3.3.2.1 建立實(shí)體模型</p><p>　

93、　采用U G5.0三維建模軟件，對定子進(jìn)行建模。模型比例按1：1建立，如圖3.7所示</p><p>　　圖3.7 定子三維模型</p><p>　　3.3.2.2 使用ANSYS14.0中的WorkBench做定子的模態(tài)分析</p><p>　　圖3.8 Modal模塊創(chuàng)建</p><p>　　1） 運(yùn)行Workbench 14.0工具，打

94、開Toolbox工具箱，使用其中的Modal命令創(chuàng)建分析項(xiàng)目。如圖3.8所示。</p><p>　　2） 導(dǎo)入U(xiǎn)G 5.0所建立的三維模型，經(jīng)檢測，.stp文件最為便捷。所以使用UG把生成的三維模型保存為stp文件。在Workbench中選擇Geometry導(dǎo)入三維模型。劃分網(wǎng)格模型 。如圖3.9，3.10所示</p><p>　　圖3.9定子三維模型導(dǎo)入</p><p

95、>　　圖3.10 定子模型網(wǎng)格劃分</p><p>　　3） 導(dǎo)入完成后確定以超聲電機(jī)振子做研究對象，確定壓電陶瓷、摩擦材料、定子彈性體三者間的剛性連接，設(shè)置各材料的各項(xiàng)參數(shù)。如圖。表3-1為材料的各項(xiàng)參數(shù)。</p><p>　　表3-1 定子材料參數(shù)</p><p>　　3.3.3 定子分析</p><p>　　完 成 上 述 設(shè)

96、置 后 ， 進(jìn) 行 分 析 運(yùn) 算 。 得 到 的 結(jié) 果 如 圖所 示 ， 其 中 ， 結(jié) 果 包 含 波 的 波 束 ， 振 動 頻 率 。 圖 中 各 圖 都 是 定 子 A , B 兩 種 振 型 的 各 種 振 型 。 而 定 子 的 穩(wěn) 定 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 行 ， 需 要 達(dá) 到 以 下 條 件 ： ① 超 聲 電 機(jī) 的 工 作 原 理 決 定 了 超 聲 電 機(jī) 的 頻 率 需 要 大 于 2 0 K H z ， 這 需 要

97、 4 個 以 上 彎 曲 波 形 。 因 此 波 型 數(shù) 選 擇 8 , 9 , 1 0 以 及 1 0 以 上 的 波 型 。 因 為 后 續(xù) 設(shè) 計(jì) 需 要 的 是 單 一 壓 電 環(huán) ， 兩 相 激 勵 的 板 式 環(huán) 形 波 超 聲 電 機(jī) ， 所 以 定 子 的 寬 度 要 比 電 機(jī) 外 殼 要 小 很 多 ， 所 以 選 擇 無 節(jié) 圓 的 B 0 n 模 態(tài) 。 同 時 因 為 A ， B 需 要 兩 性 對 稱 ， 所

98、 以 波 形 數(shù) 為 奇 數(shù) 。 經(jīng) 篩 選 確 定 工 作 模 態(tài) 為 B0 9 。</p><p>　　(a) 模態(tài)的頻率FREQ=29745Hz</p><p>　　(b) 模態(tài)的頻率FREQ=29761Hz</p><p>　　(c) 模態(tài)的頻率FREQ=36457Hz</p><p>　　(d) 模態(tài)的頻率FREQ=36470Hz&

99、lt;/p><p>　　(e) 模態(tài)的頻率FREQ=43471Hz</p><p>　　(f) 模態(tài)的頻率FREQ=43471Hz</p><p>　　圖3.11 模擬仿真所得到振型</p><p>　　進(jìn)行模態(tài)分析目的是確定電機(jī)的共振頻率，振動模態(tài)以及共振振型。把得出的模擬結(jié)果與前面計(jì)算的理論結(jié)果做對比，根據(jù)兩者間的差值對電機(jī)的尺寸以及有管結(jié)

100、構(gòu)進(jìn)行調(diào)整設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)初期這是十分關(guān)鍵的一部分，他能對超聲電機(jī)的重要尺寸和結(jié)構(gòu)調(diào)整和確定。模態(tài)分析完成后，還需要確定諧響應(yīng)分析的頻率范圍和諧響應(yīng)的分析。在對寫相應(yīng)分析的過程中，能夠求出某節(jié)點(diǎn)在某個頻率下的振幅，這個振幅是一個絕對值，這與模態(tài)分析中的振幅不相同，模態(tài)分析中的振幅是一個相對值。最后以得到的分析結(jié)果對電機(jī)結(jié)構(gòu)做出修改，優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)，達(dá)到電機(jī)性能最優(yōu)化的效果[10]。</p><p><b>　

101、　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章通過對超聲電機(jī)做模態(tài)分析，從理論計(jì)算到模擬分析，通過分析計(jì)算，得到定子的固有頻率和振幅的理論數(shù)值。利用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析通過模擬測試得到實(shí)際值。理論值和實(shí)際值做了對比后對電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)做好鋪墊。</p><p><b>　　4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</b></p>&

102、lt;p><b>　　4.1 導(dǎo)言</b></p><p>　　超聲電機(jī)從上世紀(jì)50年代發(fā)展至今，出現(xiàn)過各種各樣的結(jié)構(gòu)。目前來說，超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)并沒有一個絕對的標(biāo)準(zhǔn)，對于超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)可以按照實(shí)際情況以及過往的經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)。最后通過實(shí)際試驗(yàn)調(diào)試，對電機(jī)的結(jié)構(gòu)以及材料進(jìn)行更進(jìn)一步的調(diào)整，最終達(dá)到最好的工作狀態(tài)。</p><p><b>　　4.2 設(shè)計(jì)流程

103、</b></p><p>　　超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)過程與大部分機(jī)械設(shè)計(jì)過程一樣，有以下四個階段（圖5-1為設(shè)計(jì)流程圖）。</p><p>　　1) 了解用戶需要，根據(jù)用戶提出的要求，確定超聲電機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。主要包括：額定扭矩、輸出功率以及轉(zhuǎn)速，電機(jī)的尺寸結(jié)構(gòu)，輸入電壓，使用壽命等。當(dāng)超聲電機(jī)需要在一些特殊的環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)時，還需要考慮特殊環(huán)境下的特殊要求，如：無電磁干擾，真空環(huán)境

104、下運(yùn)作等。</p><p>　　2) 確定各零部件的材料和尺寸等技術(shù)參數(shù)。，定子是行波超聲電機(jī)的核心部件，所以在尺寸確定的過程中定子的材料和尺寸結(jié)構(gòu)是首先要確定的。尺寸確定之后，需要對定子進(jìn)行動態(tài)特性分析。同時針對定子的工作環(huán)境，分析其工作環(huán)境對其的影響。定子的設(shè)計(jì)完成后設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子。接著根據(jù)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的定子和轉(zhuǎn)子的參數(shù)對超聲電機(jī)進(jìn)行性能仿真，對比結(jié)果能否滿足超聲電機(jī)所要求的各項(xiàng)性能指標(biāo)。若能，則進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)工作

105、。若不能，則對前面的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和完善，直到超聲電機(jī)能達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)。</p><p>　　3) 根據(jù)設(shè)計(jì)完善好的方案，確定超聲電機(jī)的最終零件尺寸，繪制出零件圖并且進(jìn)行加工。加工好后對電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與前面設(shè)計(jì)時的預(yù)計(jì)性能指標(biāo)作對比。根據(jù)結(jié)果來確定方案是否合理。</p><p>　　圖4.1超聲電機(jī)設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　4.3 定子機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)<

106、;/p><p>　　定子的結(jié)構(gòu)主要包括定子內(nèi)外徑，定子齒，粘結(jié)層，以及定子厚度的設(shè)計(jì)。定子是超聲電機(jī)的核心部件，定子的設(shè)計(jì)對于整個電機(jī)能否達(dá)到性能要求至關(guān)重要。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究，電機(jī)的尺寸和性能存在一定的比例效應(yīng)。表4-1為相同直徑下，超聲電機(jī)的尺寸和性能間的關(guān)系。由表中的比例因子可估算出其性能。</p><p>　　由表4-1可得： </p><p>　　表 4-1

107、 超聲電機(jī)尺寸參數(shù)</p><p>　　4.3.1 定子內(nèi)外徑設(shè)計(jì)</p><p>　　由表4-1所得的超聲電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)見的比例關(guān)系，參考目前已有上超聲電機(jī)的性能以及外形，獲得定子外形的大概尺寸R外。其中壓電陶瓷的外形尺寸與定子的外形尺寸相同以方便壓電陶瓷粘貼在定子上。所以根據(jù)壓電陶瓷的內(nèi)徑大小可以確定定子的內(nèi)徑大小。當(dāng)壓電陶瓷的內(nèi)外徑之比在7:10左右時，壓電振子的自由振動能量損耗最小，

108、由此可得定子的內(nèi)外徑之比為7:10。則</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　由超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)要可得，定子外徑。由上式可得定子的內(nèi)徑。與傳統(tǒng)電機(jī)定子設(shè)計(jì)相同進(jìn)行尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，所得尺寸一般選取0或5作為個位，故此定子內(nèi)徑</p><p>　　4.3.2 模態(tài)階數(shù)選擇和振動模態(tài)設(shè)計(jì)</p><p>

109、;　　定子的振動模態(tài)選擇主要依據(jù)以下三個方面</p><p>　　1) 因?yàn)槎ㄗ域?qū)動相對稱，所以定子必須是奇數(shù)模態(tài)。定子采用單壓電雙相。若為偶數(shù)模態(tài)，則會破壞對稱性，使波形出現(xiàn)偏差。</p><p>　　2) 因?yàn)殡姍C(jī)是超聲電機(jī)，所以定子的頻率必須在20KHz以上</p><p><b>　　3) 定子振動壽命</b></p>&

110、lt;p>　　超聲電機(jī)的正常運(yùn)作決定了定子必須要有一定振幅值，考慮定子模態(tài)階數(shù)的選擇可以基本取決于定子振動壽命和電壓激勵效果。QP減小。而要維持定子最大振幅恒定，則需要增加激勵電場強(qiáng)度，這又增加了壓電陶瓷使用中的循環(huán)應(yīng)力，加劇了壓電陶瓷的損耗，使使用壽命降低。所以定子的振動模態(tài)階數(shù)與半徑能有一個恒定的比例，使行波波長為能保持恒定。</p><p>　　因此，定子振動模態(tài)階數(shù)應(yīng)按以下兩點(diǎn)原則進(jìn)行選擇：1.定子

111、振動模態(tài)數(shù)變化比例小于半徑變化比例。同時應(yīng)保證振動的損耗值達(dá)到最小。故根據(jù)第三章的ANSYS分析結(jié)果可確定工作模態(tài)為B09.</p><p>　　4.3.3 定子厚度</p><p>　　對于定子的使用材料，可采用青銅或者不銹鋼來進(jìn)行加工制作。定子的厚度可以決定定子在其振動模態(tài)下的振動頻率。因?yàn)殡姍C(jī)的工作需要定子的振動頻率為20KHz以上。同時，驅(qū)動齒的設(shè)計(jì)使定子振動頻率會有一定的降低。故

112、暫定定子的頻率為45KHz以上。因此，定子的厚度為5mm</p><p>　　4.3.4 驅(qū)動齒設(shè)計(jì)</p><p>　　驅(qū)動齒的作用是為了提高定子表面振幅和運(yùn)動速度，通過驅(qū)動齒設(shè)計(jì)，使定子和轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生齒輪驅(qū)動，使工作效率更加提高。同時，部分摩擦?xí)r產(chǎn)生的雜物可以通過齒槽排除，使定子和轉(zhuǎn)子在使用過程中不會因雜物而損壞或影響效率。因此，下面將對定子齒的齒寬，齒高以及齒數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p&