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购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 下载文档送全套 纸 14951605 或 1304139763 目录 第 1 章 绪论 . 3 声波电机的定义与发展历史 . 3 声波电机的基本工作原理 . 5 声波电机的分类 . 6 声波电机的特点和应用 . 6 声波电机技术的展望 . 7 第 2 章超声波电机的运动机理 . 8 圆运动的分析 . 8 波的产生及行波的合成 . 10 第 3 章 超声波电机的理论计算与设计 . 13 子谐振频率的计算 . 13 电陶瓷换能器的设计和制作 . 16 电陶瓷的设计 . 16 电陶瓷材料的选用 . 17 电陶瓷的接线方式 . 17 子的设计及制作 . 19 子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系 . 19 子的内外径尺寸的选择 . 21 子的振动模态的选择 . 21 子的齿形齿数设计 . 21 子的结构设计 . 22 . 23 子的设计及制作 . 24 声波电机转子的柔性要求 . 24 转子径向弯曲配合 . 25 摩擦层的设计 . 26 转子设计的总结 . 26 第 4 章 超声波电机的驱动控制技术 . 27 第 5 章 超声波电机整体结构设计 . 30 第 6 章 全文总结 . 32 参考文献 . 33 致谢 . 34 附录 英文翻译译文 . 35 购买文档就送对应 纸 咨询 14951605 1 超声波电机的设计 摘要： 超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的新概念、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。 本文主要以超声波电机为研究对象，设计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过程。 关键词 ： 超声波电机 压电陶瓷 湘潭大学兴湘学院 2 is a of of of of is by to of to of it a of as so It is of s a In a be as up of of of of In of on in 湘潭大学兴湘学院 3 第 1 章 绪论 本章主要介绍超声波电机定义与发展历史、基本工作原理、分类、特点及其应用及对超声波电机 技术的应用展望。 声 波电机的定义与发展历史 超声波电机 （ 称 是一种新型的直接驱动型微电机，其原理完全不同于传统的电机，没有绕组与磁路，不以电磁作用传递能量，因而有很多不同于传统电机的特性。超声波电机一种利用超声波振动能作为驱动源的新原理电机，是电机制造、机械振动学、 摩擦学 、功能材料、电子技术和自动控制等学科 综合交叉发展的产物， 是利用压电材料的逆压电效应 ,把电信号加到压电陶瓷 使定子表面的质点产生一定轨迹的机械振动 ,驱动转子运动的新型电机。 由于定子的振动频率多数处在超声频范围 ,所以被称为超声波电动机。超声波电机具有能量密度大、响应快、结构紧凑、低转速、大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点。 在微型机械、机器人、精密仪器、家用电器、航空航天、汽车等方面有着广泛的应用前景。 20 世纪 80 年代随着科学技术的发展才备受重视并得到应用的一种新型直接驱动电机，其发展史却可追溯到 20 世纪 40 年代。 20 世纪 40 年代 ，人们就知道了超声波电机的这个驱动原理， 然而由于当时压电陶瓷材料以及超声波电机理论技术的滞后，超声波电机只能是“ 空中楼阁 ”， 没有得以实现 。一直到 80 年代初，具有高转换效率的压电材料出现以后，再加上电力电子控制技术的发展，才逐步研制出各种各样的超声波电机。 超声波电机的发展历史过程总结如下： 利用弹性振动获得动力的尝试是从钟表开始的。 1961年，英国的 公司首次提出了用弹性体振动能量作为驱动力 的理论，并研制成音叉驱动的手表，在国际上引起了轰动。 1973年， 如图 。该电机 由一个转子和两个驱动振子构成 ， 两个振子由 前部压置在转子上，保持摩擦接触。 当振子 (1)激振时转子顺时针方向回转 ， 当振子 (2)激振时 ， 转子逆时针方向回转。 与此同时， 原 苏联的 同原理 的几种 超声波电机 ，并给出了超声波电机结构简单、成本低、低速大转矩、单位图 超声波电机 湘潭大学兴湘学院 4 质量功率大、运动精确、能量转换效率高等一些基本特性。 1978年，前苏联的 图 图 前苏联的 这种电机使用两个金属块夹持压电元件结构的超声换能器，利用振动片的纵向振动及诱发的弯曲振动，通过摩擦来使转子转动。结构上不仅能够降低了共振频率，而且放大振幅。但由于在运转条件下，电机的磨损和发热严重，很难保持振动片的恒幅振动，故也未获得实际应用。 使超声波电动机真正走上实用的是日本的指田年生 ， 在 1980年成功制造了一种振动片型超声波电动机。所用振子是用螺栓压紧的 郎之万（ 振子 ， 一种能工作在超声领域的切割式振子。振子的前端面作纵向振动 ， 其上安装楔形的振动片 ， 振动片前 端跟圆板状的转子接触 ， 前端的运动轨迹是一个变形了的椭圆。这种超声波电动机具有高速性 ， 无负荷速度是 2000高效率 ， 最大效率达 60%； 寿命短 ，因为振动片和转子之间近乎直角的接触 ， 两者之间接触和脱离瞬间的滑动无法解决 ， 因此产生的磨损使寿命较短。为了解决这个问题 ， 日本的 指田年生在 1980年发明了一种振动片型超声波电动机 ， 该电机的原理利用行波在有限弹性体内传播时表面质点产生的椭圆运动 ， 行波型超声波电动机只需改变驱动相位差即可实现正反转 ， 而且定子、转子之间是多点轮流接触 ， 磨擦很小。行波型超声波电动机具有良好的应 用前景 ， 引起了众多大公司和大学的兴趣 ， 争先对超声波电动机进行研究和开发 ， 从而使超声波电动机进入大规模的实验研究和实用化开发阶段。 1987 年，佳能公司将其开发的圆环型行波超声波电机正式应用于 机自动调焦系统，实现了超声波电机的商业应用 3。日本在超声波电机的研究方面一直处于世界领先地位。它掌握着世界上大多数超声波电机技术的发明专利。在日本，几乎各知名大学和许多公司都对超声电机进行了研究和生产。环状行波型和棒状行波型电机已大批量生产，最近一种驻波型电机也已投入批量生产，主要用于工作时间短、精度高及某种 特定功能的机器或领域中。日本公司将超声波电机应用于自动门、风扇、微动台、控制台、家电产品中，进一步开辟并扩大其应用市场 4。 20世纪末和新世纪初，中国、美国、德国、法国、英国和其他一些发达国家都开始了对超声电机的研究。最近几年来，除了日本之外，美国、德国、法国、中国、瑞士、湘潭大学兴湘学院 5 韩国、土耳其和新加坡等都有超声波电机产品进入市场，在这些国家中，以美国发展得最快，应用的领域也最广 5经过十年的发展，美国许多单位都在进行超声波电机的研究，如麻省理工学院 (美国航空航天局 (喷射推进实验室 (, 6。美国某些公司生产的超声波电机产品已经在航空航天、半导体工业、 国为了发展空间的反导弹、反卫星及情报侦察系统，近几年将要发射 100个以上的纳米卫星 (质量 7这种纳米卫星的核心技术之一是微机械和微传感系统，包括微传感 /遥感器、微陀螺和微驱动器。为此，美国正加速 发展微型超声电机 (直径仅 1 声波电机的基本工作原理 超声波电机一般由高频输入电源、定子（压电陶瓷和弹性体）和转子（移动体和耐磨材料 )组成。在压电陶瓷上加频率为几十千赫的高频交流电源，利用逆压电效应即电致伸缩效应产生几十千赫的超声波振动。然后，将这种振动通过弹性体和移动体之间的摩擦力变换成旋转或直线运动，或者直接用压电振子产生弯曲振动驱动移动体转动。如图 弹性体 定子 压电陶瓷 机械输出 电信号输入 高频电源 移动体 耐磨材料 转子 图 超声波电机的基本原理示意图 由图可知，超声波电 机是利用压电陶瓷逆压电效应原理。高频电源产生信号的频率和电机的固有频率一致，形成共振，产生高频机械振动。这种振动借助定子和转子间的摩擦耦合来驱动电机运动。这就是超声波电机的基本工作原理。其能量转换可分为以下两个过程：高频交流通过压电陶瓷的逆压电效应把电能转换为定子的机械能；定转子之间通过摩擦耦合把定子的机械能转换为转子的机械能。 湘潭大学兴湘学院 6 声波电机的分类 超声波电机利用压电陶瓷的压电效应及弹性体的机械振动，通过转子与定子间的摩擦力来驱动电机转动。由于压电陶瓷的极化形式多样，弹性体的振动模式也具有多样性，可采用不同的振动模态来产生驱动力，因而可以研制出多种不同结构的超声波电机，如环型或盘型、直线型、球型、弯扭耦合型、纵扭复合型、非接触型及自校正型等等。一般按照使用的驱动方式的不同分为行波方式，驻波方式和电致伸缩公转子方式三种。根据输出运动的形式不同又可以分为旋转型和直线型。根据驱动位移的量级也可以分为一般的超声波电机和微动超声波电机（微米级和亚微米级的驱动位移）。而根据输出运动自由度的个数不同可分为单自由度与多自由度。另外还可以根据定子与转子的接触形式分为接触式与非接触式。 以上从不同的角度对超声波电机做了 整理和分类，具体分类情况可见表 1上面的分类中可以知道超声波电机可以有很多种不同的形态。但是，从目前的搜集到的各国研究资料可以发现，回旋型超声波电机是所有类型中结构较简单，用途最广泛的一种，也是最有发展前途的一种。最常见的有驻波型超声波电机和行波型超声波电机。驻波型超声波电机的特点是变换效率高，但旋转的方向一定，结构尺寸大。行波型超声波电机的特点是结构尺寸小，旋转方向可以改变，速度和位置容易控制。 表 1超声波电机的分类情况 按驱动方式分 按定转子力传递接触方式分 按运动方式分 按自由度分 超声波电机 行波型 单一模态型 接触 连续的局部面接触 直线运动 单自由度 复合模态型 连续的点（线）接触 模态转换型 断续的整个面接触 驻波型 单一模态型 断续的点（线）接触 旋转运动 多自由度 复合模态型 非接触 空气 单一模态型 液体 声波电机的特点和应用 超声波电机是近二十年来发展起来的一种新型电机。它突破了传统电机的概念，没有电磁绕组和磁路，不用电磁相互作用来转换能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动来转换能量。与电磁式 电机相比，超声波电机具有如下的几个突出的优点： 1、低速、大转矩； 2、体积小、重量轻； 3、动态响应速度快、控制特性好； 4、无电磁感应影响； 5、停止时具有保持力矩； 6、断电自锁； 7、运行无噪音； 8、形式灵活，设计自由度大； 9、可在很低的电压下工作； 10、适应环境能力强。 超声波电机以其新颖的工作原理和独有的性能特点，引起人们的广泛的注意。它有湘潭大学兴湘学院 7 着很好的应用前景。其应用领域涉及到航空航天、汽车制造、生物工程、机器人、仪器仪表、医学等领域。从目前的研究情况来看，超声波电机 产品可用 于 照相机的自动聚焦系统的驱动器；航空航 天领域自动驾驶仪伺服驱动器；机器人或微型机械自动控制系统的驱动器；高级轿车门窗和座椅靠头调节的驱动装置；窗帘或百叶窗自动升降装置； 密仪器仪表、精确定位装置；医学领域，如人造心脏的驱动器、人工关节驱动器；强磁场环境条件下设备的驱动装置，如未来的磁浮火车；不希望驱动装置产生磁场的场合，如磁通门的自动测试转台 等 。 可以预言，随着超声波电机在工业界的成功应用，将会发生一场新的技术革命。 声波电机技术的展望 超声波电机在 各个领域的广泛 的应用。 21 世纪将是超声波电机大放光芒的时代，它将有 可能部分取代微、小型的传统电磁电机而得到更广泛的应用。 超声波电机在 机器人、 计算机 、 汽车 、 航空航天 、 精密仪器仪表 、 伺服控制等领域有广阔的应用前景，有些领域已有成功应用。如照相机调焦 、 太空机器人中的应用 、 精密定位装置和随动系统中的应用 、 民用装置中的应用 、 阀门控制 、 扫描电子显微镜试料架的驱动 、 机器人关节驱动 、 核磁共振装置中的应用 、 汽车专用电器中的应用 、 微位移超声波电机（压电直线电机）。 在 未来发展中 ，为了发展我国人造卫星、导弹、火箭、飞机、机器人、微型机械、汽车、磁浮列车以及其他精密仪器，将需要大量的、高性能的 超声波电机。超声波电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用 。 超声波电机作为一种新型驱动器，是一种典型的机电一体化产品。超声波电机正经历一个从研究开发向实际应用的转折时期，相信 经过工 业 化、商品化研制， 超声波电机将会使整个机械、电子工业、机器人、 计算机 、 汽车 、 航空航天 、 精密仪器仪表 、 伺服 控制和 人类生活产生一次巨大的变革。 湘潭大学兴湘学院 8 第 2 章 超声波电机的运动机理 超声波电机是借助于行波的周向传播来驱动转子转动的。行波使定子与转子相接触的表面质点沿椭圆轨迹转动，利用定子与转子接触处的摩擦力推动转 子转动，这是超声波电机传动的最基本的工作原理， 如图 示 。利用这个基本原理，人们制造出了各式各样的行波型超声波电机，如 司的盘形行波型超声波电机； 司的环形行波型超声波电机。行波超声波电机 主要由定子、转子及驱动与控制装置组成。 圆运动的分析 行波型超声波电机定子上的压电陶瓷在二相交变电压作用下，在弹性体内形成两个时空相差为 90的弯曲振动驻波 ， 进而在弹性体定子内合成一个沿圆环周向旋转的弯曲振动行波，行波使弹性体与运动体相接触的表面质点作椭圆运动 。根据参考文献 2,8 将圆环展开成直梁，定子内的弯曲行波如图 示。设弹性体的厚度为 h，行波波长为 ， 曲振动的横向位移振幅为 0 ，角频率为，那么在弹性体内中性层的行波方程为 2s (2若把弹性体表面上任一点设为 P ，未弯曲时的位置设为0P。当弯曲角为 时，从0 的厚度方向的横向位移 为 co (2因为弯曲振动的振幅0远比弯曲振动的波长 小，弯曲角 也很小，所以横向位移可近似表示为 图 行波型超声波电机的工作原理图 图 子表面质点的运动分析图 湘潭大学兴湘学院 9 2s (2同样，当弯曲角为 时，从0 的纵向位移 为 2s (2因为弯曲角 可用下式表述 2co (2故纵向位移近似于 2co (2因此，横向位移 与纵向位移 间关系式为 12020 h (2可见，上式为二次曲线椭圆轨迹方程。这就证明了弯曲行波是可以形成质点的椭圆运动轨迹的。进一步分析可知它沿椭圆轨迹的逆时针方向运动，椭圆的短轴和长轴之比为 h 。定子表面质点的纵向速度 s 2s (2式中负号表示定子表面质点的运动方向与行波传播方向相反。 当转子与定子在行波波峰处相接触，即 s i n 2 1 ，若转子与定子间无滑动，转子就获得定子表面质点波峰处的纵向速度。其转子速度为 22 00to r(2由此可见，旋转行波型超声波电机是利用定子 行波波峰处质点做椭圆运动的纵向速度使得转子转动，转子的转动速度即为定子表面质点的纵向速度。 通过对上述弯曲行波上质点的椭圆运动的分析，可以得到这样的结论：弯曲行波使弹性体上的质点有一个横向振动分量，即在行波中存在着横向振动波，且与行波的相角差为 90o，才形成了质点的椭圆运动轨迹。但这个横向振动波的振幅较小，这对于椭圆湘潭大学兴湘学院 10 (c) (a) w x 图 波的形成 压电陶瓷 弹性体 压电陶瓷的变形 压电陶瓷的变形 电源 电源 (b) 压电陶瓷 弹性体 运动的合成不利，会直接影响这种行波电机的输出特性，所以提高横向振动振幅是很关键的问题。在以后的分析中，将会提出解决这个问题的方法。 波的产生及行波的合成 如图 极化方向相 反的压电陶瓷依次粘贴于弹性体上，当在压电陶瓷片上加直流电压时，压电陶瓷片会产生交替伸缩变形，如图 (a)所示；如果将直流电压反相时，压电陶瓷会产生相反的交替伸缩变形，如图 (b)所示；如果在其上加交变电压，压电陶瓷会产生交变伸缩变形，结果可在弹性体内产生驻波，如图 (c)所示。旋转行波型超声波电机就是利用两组这样的压电陶瓷片在弹性体内产生两个驻波，这两驻波叠加形成一弯曲行波。 如果在 c 交变电场可使压电陶瓷按不同的极化方向产生交替的伸、缩变 形，结果在弹性体内形成驻波，其驻波方程为 co （ 2 湘潭大学兴湘学院 11 式中， f 2 ， A 是驻波的振幅， L 是定子环等效梁的长度， n 为定子环上一周的驻波数， 是交变电压的角频率， L 是交变电压的初相角， A 为 定子阻尼有关，而 f 则是交变电压的频率。 类似的，在 s 得到另一驻波方程。若该驻波与余弦交变电压 弹性体内所产生的驻波在空间上相差四分之一波长，则其驻波方程 tL s i o ss i i n (2式中， B 表示 余符号意义与式（ 2同。 利用线性波的叠加原理，将两驻波合成为一个沿定子圆环周向运动的行波，其方程为 tL s i i n (2如果0 么 00 2s (2如上所述，在两交变电压作用下，形成了 两个在时间上相差 90 相角，空间上相差四分之一波长的弯曲振动的驻波，进而合成了一个沿定子圆环周向旋转的弯曲振动行波，行波使定子与转子相接触的表面质点沿椭圆轨迹运动，而定子与转子接触处的摩擦力就推动转子转动。 同理，如欲使电机转子朝相反方向旋转，则应当在 c 在 s 电压 成的驻波方程为 s s (2这样，两驻波合成的行波方程为 00 2s i n (2湘潭大学兴湘学院 12 表达式（ 2所表示方程为沿 也就意味着此时电机将朝反方向旋转。 由以上的分析可以得出超声波电机的基本特征是： 1、定子与转子相接触表面质点的椭圆运动，是由定子弹性体的行波振动形成的。一旦定子制作完毕，工作时该椭圆运动轨迹的长轴和短轴一般不能独立地调整。 2、电机工作时，定子与转子始终保持接触，不分离。 3、定子与转子的接触位置沿接触面连续变化。 4、电机结构尺寸小，旋转方向可以改变，速度和位置容易控制。 湘潭大学兴湘学院 13 第 3 章 超声波电机的理论计算与设计 超声波电机与传统电机不同，还未建立起系统的设计理论与方法。超声波电机的关键部件是定子，定子的谐振频率与驱动电源是否相匹配是电机能否正常运转的关键。本章从定子的谐振频率的计算出发，详细介绍了超声波电机的设计过程，同时分析了电机的加工工艺，设计了直径 30图。设计中，以提高电机的性能为优化的目标 ，我们还预先设定一些结构参数，而将定子弹性体厚度及压电陶瓷的厚度作为设计变量。 子谐振频率的计算 超声波电机的定子是由弹性体与压电陶瓷粘接在一起的。正因为如此，在分析行波超声波电机的定子振动的谐振频率前，先作如下假设： 振动是微幅的，系统为线性的。 略定子环的曲率效应。 为其振动近似为正弦波。 在作定子 环的等效梁分析时可以分两步进行。首先，把有齿槽的弹性体梁等效为弹性体等直梁，等效的原则是按等效前后的动能和势能分别相等，且等效前后梁的高度不变；然后再将压电陶瓷片和弹性体组合而成的定子等效为复合梁。定子环的等效梁模型如图 中，图 (a)为梁的结构， (b)为等效前的弹性体梁，图 (c)为等效前的复合梁。 设弹性梁的驻波波动方程为： xL 2s (3上式中： 驻波轴向位移 定子环的等效梁模型 a) (b) (c) 14 n 定子环 上驻波的波数 L 定子环平均直径上的周长 相应的变分为 2s i n t (3则惯性力在整个定子梁上所作的虚功根据参考文献 8 为 L e (3上式中： e 等效前的弹性体的材料密度； 等效前弹性体的截面积； 有齿处截面有槽处截面 等效前后梁的宽度 把 式（ 3（ 3入式（ 3积分，得 21 (3其中根据参考文献 8 bb 1(3为等效密度系数。 等效成无齿槽的弹性梁，则截面积，此时惯性力在整个定子梁上所作的虚功为 21 (3可以认为等效前、后惯性力所作的虚功相等，由式（ 3（ 3得等效密度为 k (3由于定子环弯曲振动时对齿的变形影响很小，因此振动时齿的应变能可以忽略不计， 此时截面惯性矩根据参考文献 2 可表示为 3121 ee (3弹性梁由于弯曲产生的应变能为 e 4230 222 248121 (3其中 湘潭大学兴湘学院 15 等效前的弹性体弹性模量 等效弹性模量系数， 31 模量为 (3这时，有齿槽的弹性梁已经等效为高度为一步按图 3c)，把定子环等效为复合梁。 首先要确定中性层和中性轴的位置。由复合梁的弯曲理论可知，在中性层上所有正应力为零。由此可以确定中性层及中性轴的位置。设复合梁上表面距中性轴的距离为 h，在梁截面上只有弯矩而没有轴力，因此有 0 pA pA (3其中根据参考文献 2 (3 (3p 弹性体等效梁 和压电陶瓷片的正应力 p 弹性体等效梁和压电陶瓷片的应变 压电陶瓷片的杨氏模量 K 中性层弯曲后的曲率 Z 截面任一点的轴向座标 将式（ 3（ 3入式（ 3可得 2222e q b e p b p p p p pe q b e p p pE h b E h h b E h h b E h b(3其中， 中性层的位置一旦确定，复合梁的弹性模量 E 和截面惯性矩 I 亦可确定 (3(3其中 湘潭大学兴湘学院 16 333 3 33p f h h h 根据参考文献 2 复合梁的平均密度和截面积为 (3(3由此根据参考文献 2,10 可得复合梁的固有频率计算公式为 2n E (3由式 (3可以求出定子的谐振频率。由上式可知，定子的谐振频率与定子半径二次方成反比，与定子上波数的平方成正比，同时定子的谐振频率还与定子所用的材料特性、定子环的截面积有关。 电陶瓷换能器的设计和制作 电陶瓷的设计 由前面对行波型超声波电机运行机理的分析可知，两列在时间上相差 90，空间上相差 1/4波长 的驻波可合成行波。 如图 级结构。“”、“”号表示极化方向， 定子上的环形压电 陶瓷 片按一定规则分割极化后分为 A、 B 两相区 ， 相邻两 级 空间排列相差 /2 （ 1/4波长），并且分别受到在时间上也相差 /2 的 高频 电源的激励 （ 。当激励电源的频率等于定子的固有频率时 ，定子（振动体）产生 共振 ， 两区间 压电 陶瓷 所激发的波相叠加，在电机定子中产生沿圆周方向的合成弯曲行波，推动转子旋转，转动方向与行波的传播方向相反。倘若改变所施加 激励 电源电压的符号，可以使转子反转，十分方便。 激励电源 可以 为正弦波 或方波 。 图 为接地，作为 区的公共地， 压电体的分极结构 湘潭大学兴湘学院 17 一个行波，也可作为控制和测量用反馈信号的传感器。另外， A、 空间对称排列，而且每相产生的驻波都在圆环内形成相同的整数个波，即称为波数，图 数 n=9。 对于压电陶瓷片的厚度，它决定了在一定电压下是否能够起振，根据参考文献 2,10 如果压电陶瓷片太厚，大于 在通常电压情况下，不易起振。如果太薄，小于 在高频谐振条件下，由于形变过大而容易发生断裂，而且加大加工难度，在样机研制中不易实现。另外，压电陶瓷片的厚度对压电振子的固有谐振频率影响较大，通常我们取其厚度为 论文样 机的压电陶瓷片厚度取 电陶瓷材料的选用 压电陶瓷作为超声波电机能量转换的媒介，它起着为超声波电机提供驱动力的重要作用，质量的好坏直接影响电机的性能。因此，压电陶瓷片材料必须满足： 1、介电损耗小，一般小于 1%;2、机电能量转换效率高、压电常数313、动态抗张强度大 ;4、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 的1231 2 2 0 1 0 % 1 0 /d C N ， 1000 ，居里温度 300o C。可见，它的性能比较符合上面所提出的要求。 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： 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 4/ 。在两片压电陶瓷上施加相位差 90的交流电压，这样两个驻波合成为行波。 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 4/ 。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。 c）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。 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 b）。在图中 4/ 区域为行波合成区，此区域利用压电陶瓷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湘潭大学兴湘学院 18 号。 (a) (b) (c) 图 行波型超声波电机的压电陶瓷片三种接线方式 湘潭大学兴湘学院 19 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。 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 2,8 电机的输出转速为： D 02或 022 (3经分析，在同一波数（ n ）前提下，外径 D 与波长成正比关系，谐振频率与波长成图 定子外径与电机输出转速的关系 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 200 300 100 湘潭大学兴湘学院 20 二次反比关系（22 ），行波波峰值与波长成三次正比 关系（ 0 ）。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 示。由图中可知，电机的输出转速随着定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 M ，定子与转子间的摩擦力为 F ，施加在定子与转子间的正压力为 p ，滑动摩擦系数为 m ，定子与转子间的接触半径为 r ，定子上的波峰数（波数）为 n ，则可以得到超声波电机输出转矩表达式为 (3其中 p 定转子之间的正压力。超声波电机的输出功率表达式为 ni r ot ot ot or 1 (3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 2,8 给出 (3图 定子外径与电机输出功率的关系 20 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 10 湘潭大学兴湘学院 21 上式中 A 为与材料特性、电场特性有关的常数。 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，即 ， 2。如图 示。由图中可知，电机的输出功率随着定子外径的增加而增加。 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
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