行波超声马达及其压电陶瓷的研制

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1、摘要本论文围绕行波超声马达及其压电陶瓷材料展开研究工作。主要研究超声马达用Pb(Mnl／3Nb2n)03一Pb(Mgt／3Nbw3)03-PbZr03一PbTi03(PMMN—PZT)四元系压电陶瓷，在准同型相界附近优化其组成和性能。进一步表征该体系的温度稳定性和老化特性。在优化设计的基础上，研制了行波超声马达及其驱动控制系统。将PMMN．PZT四元系中性能较好的压电陶瓷用于自行研制的行波超声马达，研究定子的振动特性，表征马达的输出性能。PMMN-PZT四元系压电陶瓷研究表明：采用两步法合成PMMN．PZT能有效抑制焦绿石相的生成，形成单一的钙钛矿结构。调节Pb(Mnl

2、，3NbW3)03含量能提高Q。，并且对烧结性能和晶粒尺寸有较大的影响。调节Pb(MgI／3Nb")03含量，则能改善d"和K。，但对晶粒尺寸影响不大，Pb(MgI／3NbⅣ3)03含量为10m01％-14mol％的样品都处于准同型相界内。调整Zr／Ti比，在三方一四方准同型相界附近四方相区(Zr：Ti；49．5：50．5)，体系性能(c．3样品)达到：Kp=060，K31=O．35，Qm=2537，d33=376pC／N，d31=-129pC／N，占3T1／eo=1467，tan6=0．0046，获得了Q。超过2500的样品。Pb(MgI，3Nbz，3)03含量为12

3、m01％时(B．5样品)，样品中三方和四方相含量基本相等，压电性能和介电性能达到最大值，综合机电性能为：KP=0．62，K31=0．37，Q。=1472，d33=427PC／N，d31=-138PC／N，《3／eo=1572，tan6=o．0047，获得了较高的KP值和d33值。PMMN—PZT四元系压电陶瓷能兼顾Pb(Mnl／3Nb∞)03．PZT和Pb(MglnNb2／3)03．PZT两者的优点，获得具有良好综合机电性能的压电陶瓷。温度稳定性研究显示：在准同型相界附近，C．3样品的谐振频率的温度稳定性较好；改变Pb(Mnt／3Nb2，3)03和Pb(MgmNb2，3

4、)03的含量，位于准同型相界的B．5样品也具有较好的谐振频率的温度稳定性。在准同型相界附近存在谐振频率温度系数最小的位置，C一3和B．5样品正好处于这种位置附近。老化特性研究表明：较低老化温度区(<7肚75％居里温度)，压电常数老化较慢，老化行为遵从延伸指数定律：较高老化温度区(>70～75％,艟59度)，压电常数老化严重，老化行为符合时间对数直线规律。PMMN—PZT压电陶瓷的相结构对压电常数的老化影响不大，对压电陶瓷进行退火处理，能有效地改善老化行为。利用ANASYS软件建立了圆盘形行波超声马达定子的有限元模型。在考虑到压电陶瓷压电效应的基础上，首次探讨了不同压电陶

5、瓷材料(包括性能和尺寸)对超声马达定子振动特性的影响，给出了定子振动模态、谐振频率，定子表面质点运动轨迹与压电陶瓷的材料特上海交通大学博士学位论文性闾的关系。有限元分析结果为超声马达定子的优化设计提供了理论依据。在优化设计的基础上，采用自行研制的PMMN．PZT压电陶瓷(C．3和B．5)，设计和制作了行波超声马达。分析了超声马达调相调速的机理，设计了基于单片机控制的超声马达调相调速系统。实验表明，该系统具有低速起动平滑，线性度好，无需换向开关，调相调速范围宽等优点。将单片机引入了超声马达的控制，实现了超声马达的频率自动搜索跟踪，有效地解决了频率漂移问题。首次研究了行波超

6、声马达定子振动模式的演化，结果表明从压电陶瓷圆环、分区后的压电陶瓷圆环到超声马达定子的三步演化过程中，谐振频率由低到高，再到低，主振型(振动模态)经历了圆环的径向振动、每个小区(近似矩形)的长度方向振动和马达定子的弯陆振动。定子振动模态的演化过程反应了马达定子的实际制作过程，从中可以看出；在定子弹性体尺寸一定的条件下，压电陶瓷圆环的尺寸和分区极化状况最终决定了马达定子的振动模态和谐振频率。采用PMMN．PZT体系中C-3和B一5压电陶瓷的行波超声马达与采用PZT-4和PZT-8的相比，具有较大的转速和力矩。采用C一3(Q。较高)的超声马达样机的技术指标为：最大转速445

7、rpm，最大力矩6．2N·em；采用B一5(Q。较低)的超声马达样机的技术指标为：最大转速502rpm，最大力矩6．6N·em。相对来说，C．3适用于强调能耗和长时间工作的场合：在需要高转速、宽频带的应用场合，B．5则显示出较好的优越性。关键词：超声马达，压电陶瓷，PMMN-PZT．温度稳定性，压电老化，振动模式，有限元建模IIABSTRACTThisdissertationconcentratesinvestigationontravelingwaveultrasonicmotors(TWUSM)andpiezoelectriccera