新型行波压电超声电机结构研究及理论分析

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1、摘要IIIAbstractIV目录第一章绪论11.1引言11.2超声波电机概况11.2.1行波超声波电机工作原理11.2.2超声波电机的分类21.2.3超声波电机的的特点及应用21.3国内外研究现状31.3.1国外研究现状31.3.2国内研究现状31.4超声波电机研究内容及方向41.5本课题主要研究内容4第二章柱面行波超声电机结构设计62.1弓丨言62.2电机结构设计62.3定子结构设计•••••••r2.3.1定子结构2.3.2定子齿设计82.3.3齿的尺寸对特征频率的影响92.3.4定子轴向尺寸对特征频率的影响111213第三章柱

2、面行波超声电机的理论研究142.4压电陶瓷的分布2.5本章小结3」柱面行波形成原理143.2压电陶瓷的等效电学模型163.3电机定子有限元分析183.3.1压电陶瓷的性能参数183.3.2203.4齿上任意点的椭圆运动21•••••••53.5木章小结第四章柱面行波超声电机实验研究264.1引言264.2实验装置建立264.3样机性能实验274.3.1速度检测274.3.2超声波电机和换能器的检测284.4本章小结30结论31参考文献32攻读硕丄学位期间的主要研究成果35致谢36第一章绪论1.1引言随着科学技术的飞速发展，特别是精密机

3、械制造技术、微电子学、控制论等学科的相互渗透，使电机成为机电系统屮一个极为重要的元件，对屯机也提出了更高的要求。传统电磁电机以麦克斯韦理论为基础，已经不能满足当前实际需要，因此世界范围内都对新型电机投入了大量的科技力量进行研制。超声波电机正是其中最有牛命力的一种，它利用压电材料的逆压电效应，釆用了全新的原理和结构，不需要磁铁和线圈，将电能转化成驱动质点具有特殊轨迹的超声微观振动，进而通过振动摩擦将微观振动耦合成转子的连续宏观运动⑴。超声电机的概念出现在1948年，英国Williams和Brown提出了将振动能作为驱动力的设想，但由于当

4、时功能陶瓷材料及其工艺上的难题，这一设想未能变为现实。进入上世纪70年代，包括日本、美国、德国在内的一些西方国家的研究人员相继掀起了超声波电机研究的热潮，这些探索性的研究，为超声波电机走向实用化奠定了理论和实验上的基础。直到1981年，口本新生公司研制成功了第一台具有实用价值的超声波电机，并于第二年成功研制了达到商业应用水平的超声波电机。随后美国研制成功了压电蠕动电机，其分辩率达到纳米量级，并因其在扫描隧道显微镜中得到成功应用而获得1986年的诺贝尔奖。今天，世界各国的学术界和产业界对超声波电机有了新的认识，从而推动超声波电机研究有了

5、质的飞跃〔铁超声电机具有尺寸小、力矩大、分辨率高、低速、低噪声和无电磁干扰等优点，，尽管它的发明与发展仅有20年的历史，近些年来引起了国内外学业界和产业界的广泛关注，在航天宇航、机辭人、医疗器械、精密定位、微型机械等领域都己得到成功的应用。1.2超声波电机概况121行波超声波电机工作原理当超声振动在弹性体中传播时，其表而质点会产生椭圆轨迹运动。若将另一个物体以适当压力靠在弹性体表面时，由于质点存在水平方向运动分量，将产生相对摩擦,在此摩擦力作用下，转子会沿着水平方向出现宏观运动⑶。如图1-1所示，首先，实现超声表面波驱动需在定子表面激

6、励岀稳态的质点椭圆运动轨迹，可以通过压电陶瓷振子或压电换能器阵列以定子的固有频率振动模式和相应特征频率进行激励来实现。其次，需要将定子表面质点水平方向的微观运动转换成转子（或动子）的宏观转动或平动，一般要靠定子与转子（或动子）间的摩擦力来实现。图1-1行波超声波电机运行机理1.2.2超声波电机的分类按照超声波电机的运动方式，分类如图1・2所示〔铁旋转型超声波电机」单一振动模式复合振动模式I横向伸缩振动模式I行波型｛I径向伸缩振动模式（单向驻波耦合型驻波型f单向驻波驱动型I［双向驻波驱动型［模式转换型模式旋转型養萼籲寵器型圆板塑圆环型

7、

8、如旋转压电微动电机，压电■电流变式步进电机f［行波型0主波型复合振动模式自由度类型：球面型，平面多自由度型线型『一振动模式｛图1-2超声波电机分类1.2.3超声波电机的的特点及应用与传统的电磁电机相比较，超声电机机有如下特点〔I】：（1）结构简单、设计形式灵活、结构形式多种多样。（2）无电磁噪声、受外界电磁场干涉小，适用在光学系统或超精密仪器上。(3)低速、大转矩转矩密度高出传统电磁电机的10倍以上。(4)动态响应快、控制性能好，启动响应时间在毫秒级范围内，制动响应更快。(5)断电自锁超声电机具有较大的静态保持力矩，简化定位控制。(6

9、)耐低温、真空，适合太空环境，适用宇航机械系统。1.3国内外研究现状131国外研究现状目前FI本在超声电机的产业化方面走在世界前列，取得成果最多，拥有大部分的压电超声电机的专利，其研究重点而向民用消费品领域，主要在商业用