两弯曲振子旋转型驻波超声电机.doc

两弯曲振子旋转型驻波超声电机.doc

《两弯曲振子旋转型驻波超声电机.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《两弯曲振子旋转型驻波超声电机.doc（45页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

两弯曲振子旋转型驻波超声电机

摘要

本论文简要回顾了超声电机的发展及研究现状、工作原理和结构形式，并简单列举了现有的超声电机的种类。

文中所叙述的新型驻波直线超声电机，采用双振子分别工作，它利用单相信号激发出振子的一阶弯曲振动模态，完全不同于一般直线型超声电机利用纵弯或弯弯复合模态。

论文详细介绍了该电机的双振子结构为“T”型振子，双振子工作原理。

应用ANSYS有限元分析软件对“T”型振子进行了模态分析，最终确定了振子的工作模态为1阶弯曲模态。

同时，又针对两弯曲振子驻波旋转超声电机的结构进行了系统的设计，特别的在方案设计中介绍很多振子和电机结构的方案，从中确定选出较好的方案进行设计，最后应用Pro/E软件进行了实体的造型。

此种电机整体尺寸较小，长、宽、高分别为44mm、34mm、46mm。

关键词：

超声电机；驻波；弯曲振动模态；双振子

Abstract

Itisbrieflyreviewedofthedevelopmentandtheresearchpresentsituationandtheprincipleofworkandthestructuralstyleoftheultrasonicmotor,andtheultrasonicmotortypeisexhibited.

Thenewstandingwavelinearultrasonicmotorisproposedinthispaper.ItusestheBi-vibratorstoworkseparatelyandB1vibrationmodeofsliderisactuatedbythesingle-phasesignalstimulation.Itiscompletelydifferentfromthegenerallinearultrasonicmotorwhichuseslongitudinal-bendingorbending-bendinghybridmode.ItisintroducedindetailtheultrasonicmotorBi-vibratorsstructureis"T"type,Bi-vibratorsprincipleofworkandANSYSfiniteelementanalysis.Finally,ensureB1vibrationmode.

AnditisdesignedofastandingwaverotaryultrasonicmotorwithBi-vibratorsbyusingflexuralmodeexcitationstructure,manyvibratorsandtheultrasonicmotorstructureplanareintroducedspecially,andthebetterplanisselectedtocarryonthedesign,finallytheentitymodelingisfoundedusingPro/Esoftware.

Thetypeofmotorwholesizeissmaller,andthelength,thewidthandtheheightis44mm,34mm,46mmrespectively.

Keywords：

ultrasonicmotor;standingwave;bendingvibrationmode;Bi-vibrators

目录

第1章绪论 1

1.1超声电机的概述 1

1.1.1超声电机的发展及应用 1

1.1.2超声电机的原理 3

1.1.3超声电机的种类 4

1.2ANSYS软件在超声电机中的应用 6

1.3超声电机的内容及应用 7

第2章驻波旋转超声电机方案设计 9

2.1驻波旋转超声电机工作原理 9

2.1.1工作原理 9

2.1.2陶瓷片的性能要求及振动模式 9

2.2旋转超声电机的方案设计 10

2.2.1方案设计的可行性分析 10

2.2.2具体方案的确定 12

2.3.弯曲振子的方案设计 13

2.3.1方案设计的可行性分析 13

2.3.2具体方案的确定 15

第3章弯曲振子的ANSYS有限元模态分析 17

3.1振子的实体模型 17

3.2影响振子模态的参数及振子振型的确定 23

第4章旋转超声电机的总体结构设计 28

4.1超声电机具体结构分析及设计 28

4.2UG造型、装配及分析 30

第5章结论 36

参考文献 37

致谢 39

第1章绪论

1.1超声电机的概述

1.1.1超声电机的发展及应用

比较美国、日本及欧洲的超声电机的应用领域的差别，从某种角度也体现了一个国家发展的侧重点。

美国的超声换能器主要应用于军事和航天领域。

典型应用之一是JetPropulsionLaboratory在空间捆绑结构上采用的堆叠PMN换能器，安装在每个框架的波节位置用作快速减振。

著名的“Hubble”望远镜也采用类似的多层PMN压电换能器，控制光信号处理过程中相位波动，有效调节应变滞后所产生的图像畸变。

典型应用之二是被动阻尼器。

此外，NASAJPL为火星计划中微陆地操作手臂设计了高力矩密度的固态驱动器，采用双面压电行波超声电机结构。

JPL设计的应用于飞船自动爬行系统（MACS）中的超声电机可以实现直线和旋转运动。

美国海军的潜水衣、水中探声器头、螺旋桨消音器、航空服和装甲工程车减震及飞船噪声减震等都用到了压电换能器。

值得注意的是，该领域中的压电换能器有体积增大的趋势。

日本的超声换能器面向民用消费品领域，主要应用于办公设备和声像设备，并且电机尺寸大多小于1cm。

最早的多层压电换能器广泛应用在喷墨打印头上。

现在，照相机快门系统采用双压电片结构（MinoltaCamera），开闭时间是毫秒级；自动调焦系统（Canon）采用行波超声电机。

压电陀螺应用于小型摄像机，检测摄像机振颤与旋转速度，从而对监视器的图像信号加以补偿。

手表中的自振超声微电机以及精密X2Y记录仪中的步动驻波超声电机。

日本的超声电机已形成产业化，并有大量的专利储备为产品新技术应用提供了有利条件。

欧洲对超声换能器的研究始于近些年，但其涉猎广泛，现主要集中在具有复杂结构的实验室设备，如实验平台及微动设备，如1986年获Nobel物理学奖的扫描隧道显微镜（STM）。

我国超声电机的研究伴随南京航空航天大学首次推出TRUM系列行波型超声电机也进入了实用阶段。

微型化是办公设备中超声电机的发展走向。

医学应用如外科导管也将是超微型化压电驱动器的很有前途的应用领域。

在航空、航天及军事方面压电驱动器也越来越受到关注。

专家预测未来压电换能器的研究将集中在先进的生态技术系统和安全系统上，能监测和诊断材料设备的疲劳强度和故障等方面。

由此可见，压电驱动器与超声电机的发展将对未来先进设备与技术产生深远影响。

1.传统的电磁型电机的发展已有100多年的历史。

在理论、设计方法或制造技术上，都已达到十分完善的程度。

由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前宇宙飞船、导弹、机器人和精密仪器等等对电机所提出短、小、薄、低噪声和无电磁干扰等要求。

为此，世界各国都在努力研究各种新型电机。

20世纪末期发展起来的超声电机算是最典型的一种。

由于超声电机具有许多电磁电机所没有的特点，所以，它已在照相机、手表、机器人、汽车、航空航天、精密定位仪、微型机械等领域里得到成功的应用。

2.超声电机在国际上得到越来越多的应用。

专家预言：

21世纪将是超声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。

据有关方面透露：

美国政府正在实施一项研究和生产计划，要在最近几年内，使美国的超声电机年产量赶上并超过日本达到10亿台以上，将可获得1000亿美元的市场。

（1）、可以预计：

在21世纪，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、高性能的超声电机。

超声电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用；

（2）、21世纪，航空航天是我国重点发展的领域之一。

从国外的应用的情况看，它必将应用超声电机。

如纳米卫星、微型飞机、宇宙飞船和空间探测器等，应用超声电机，可以减少其重量，增强其可控性；

（3）、机器人和微型机械，也是我国21世纪重点发展的领域之一。

超声电机可以使机器人和微型机械简化结构，减轻重量，增强其可控性。

随着超声电机的微型化，微型机械可进入人体，如作为人造心脏的驱动器，它将会大大推动人造器官的产业化进程；

（4）、21世纪，我国将要大力发展磁浮列车。

磁浮列车上的强磁场干扰，使得在磁浮列车上的传统的电磁电机工作失效，超声电机将大有可为；

（5）、未来豪华轿车上的电机之多可达80个，使汽车体积增加，电磁干扰增强。

应用超声电机，由于不需齿轮箱从而大大降低其体积；由于超声电机不产生磁场而使汽车的电磁兼容性得到大大改善。

汽车上的中央门锁、门窗玻璃的升降，前视镜和雨刮器等，均可用超声电机来代替传统的电磁电机；

（6）、随着掌上计算机，可视电话电视、手提式仪器等的发展，微型超声电机将可得到广泛应用。

超声电机将使这些微型仪器降低重量和体积，减少其能量损耗；

（7）、由于超声电机的位置控制精度很高，可达微米级甚至纳米级。

超声电机将会在一些精密仪器、医疗设备以及半导体制造技术中得到广泛应用。

压电材料在微小型驱动器（换能器）领域发挥着日益重要的作用,典型代表如

超声电机、高精度定位器和自适应阻尼器等。

应用在半导体芯片加工中的压电定位器的精度达到011Lm数量级。

压电减振设备被应用在空间结构和军事装备上。

超声电机常见的应用如打印机、照相机和手表等。

压电换能器是结构陶瓷、机械学、电机学和电子学等多学科交叉发展的产物。

Williams和Brown在1948年就申请了“压电马达”的专利（USPatent,专利号:

2439499），然而由于当时材料与技术的局限,超声电机只能是“空中楼阁”。

Archangelskij（1963年）和Lavrinenko（1964年）相继发展了这种压电马达，Barth（1973年）和Vishnewski等（1975年）做出了关键技术的突破，使这种新型电机真正开始工作。

因此，Sashida（1982年）能够使超声电机首次成功进入商业领域宣告超声电机进入实用阶段。

1993年，由Kanazawa等改进后大量应用在Canon相机的自动调焦等系统上。

近年来，各种超声电机以其独特的工作性能不断地出现在宇航飞行器、汽车电器设备、医疗器械、精密仪器、精加工设备的定位机构、机器人的关节驱动以及办公自动化设备等领域。

1.1.2超声电机的原理

超声电机典型特性是它的两个能量转换过程，如图1.1所示。

第一阶段，利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化成弹性材料中质点超声频率的振动能，并在定子表面形成质点的椭圆或Lissajous运动，转换效率依赖于振子的几何性质及压电陶瓷的激励条件。

振动模式主要是纵振、弯曲振动及扭振，或者它们之间的相互叠加。

第二阶段，质点超声振动导致微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动，即超声振动能转化为转子的运动能。

图1.1.超声电机换能过程

第一阶段：

输入到压电陶瓷中的电能WE转化为定子微元质点的动能ES和形变能US。

第二阶段：

ES和US通过定子与转子之间摩擦作用转化为转子的旋转动能Tr和形变能Ur。

另外，在电机工作过程中，形变与摩擦会耗散一部分能量以热能的形式发散出来，而电机的过热会严重影响电机的工作特性，这需要在电机控制中加以解决。

超声电机的定子由压电陶瓷环和附在上面的弹性圆环共同构成，与电磁电机不同之处在于：

从驱动和控制装置产生的30～40kHz两个同频的超声电压作用于两相上，使陶瓷环和附在它上面的弹性圆环产生两个同频弯曲共振模态（驻波）。

对这两个同频超声电压在空间上的相位和在时间上的相位进行调节，就可将这两个驻波迭加成单一的旋转模态—行波，通过定子和转子间的摩擦作用即可驱使转子运动。

由此可知，超声电机突破了传统的电磁电机的概念，它没有磁极绕组和磁路，不依靠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，将定子的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子（旋转型电机）或动子（直线型电机）的宏观运动。

它与传统的电磁电机相比，具有惯性小、响应快、控制性好、不受磁场影响且其本身也不产生磁场、运动准确等特点。

特别是它具有重量轻、结构简单、噪声小、低速大扭矩以及可直接驱动负载等特性。

它不需要齿轮变速机构来降低转速，避免了使用齿轮变速机构而产生的振动、冲击与噪声等问题。

可以说，超声电机技术是处于当今世界上的高新技术之一。

1.1.3超声电机的种类

超声电机工作原理简单，但由于压电陶瓷极化的多样性和机构变换的多样性造成结构差异很大，性能差异也很大。

但原则上按照定子振动模式，超声电机主要分为驻波型和行波型。

下面是几种主要形式的超声电机。

这里设计的是驻波型超声电机，所以重点介绍一下驻波型超声电机。

1、驻波型超声电机

图1.2驻波型超声电机工作原理

特点是在定子中激励单纯驻波模式，质点做直线往复振动，其典型结构如图2所示。

依据定子齿相对驻波的位置的不同而形成左斜向上或右斜向上碰撞力，推动移动体作单向直线运动。

贺思源等据此提出一种双振动模式（双向）驻波直线电机位移系统，其结构特点是定子齿相对驻波位置固定。

如果采用转子齿，利用驻

波振动的自然衰减，不断改变驻波的位置，推动转子步动，KentaroNakamura等提出了该种驻波衰减模式的步动旋转电机。

图1.3弹片式超声电机

常见的驻波超声电机是利用弹片作为转换机制。

形式之一是弹片位于振体前端，与移动体表面法线成倾角H压力接触，如图1.3（a）所示。

假设振子的长度弯曲变形足够小，则其运动对转子提供单一方向的摩擦驱动力，由于转子转动惯量的作用，旋转速度不可见波动。

形式之二是弹片位于移动体上，与垂直方向成倾角压力接触，图1.3（b）是UchikiT提出的另类结构。

振子向上运动，忽略叶片弯曲，动片向右移动；振子向下，叶片与振子之间滑动，倾角减小到初始位置。

连续振动导致动片向右移动。

运动机制如此简单，为电机提供了微型化的机会。

MuraltP等采用PZT薄膜制作直径为4mm的微电机，驱动电压与标准IC兼容，可以想象其发展前景是非常引人注目的。

2、行波超声电机

其特点是定子中传播行波，质点做椭圆运动，电机工作性能好。

著名的Sashida行波超声电机于1987年正式应用于佳能公司EOS相机系列的自动调焦系统。

在日本，超声电机的研究大多集中在该类型的改进上。

日本SHINSEI超声电机具有典型结构，在波峰处用齿替代平面以获得更大的旋转力矩，提高驱动效率是行波电机需要解决的主要问题。

3、复合型超声电机

特点是将纵振进行变换或叠加得到定子端面质点的椭圆运动。

4、步动（微动）超声电机

近年来，由于生物技术以及生物医学的飞速发展，对超精确超精密的微型驱动器如微型手术刀等的需求日益强烈。

因此，微驱动器甚至纳米级的微驱动器和微型步动设备格外受到重视。

5、非接触型超声电机

接触型超声电机存在一些问题，如摩擦驱动带来的发热严重、启动不平稳、材料磨损难以控制和能量损失严重等问题。

1992年，YYamayoshi和SHirose提出了非接触超声电机的概念，开辟了一个新的超声电机研究领域。

非接触超声电机定子与转子之间留有间隙，介质为气体或液体，在定子中传播的行波在间隙中产生声场，转子表面在行波声场中受到两个作用力：

声音辐射方向同向的辐射力；转子表面由于声流坡度产生的声场分界层从而出现的粘滞力。

前者浮起转子；后者驱动转子随声场同向转动。

TohgoYamazaki等提出了如图1.4所示的非接触圆筒型超声电机。

HuJH通过对该电机的试验分析得出结论：

非接触超声电机相对接触式具有更高转速，但输出转矩降低。

非接触超声电机的研究目前多以结构开发和试验为主，其传动机理需要进一步明确，如何提高输出力矩也是所面临的一个重要课题。

图1.4非接触型超声电机原理与结构

当前，有关超声电机热点研究领域包括：

超声电机的微型化、大力矩；新式结构的超声电机；具有多自由度的压电驱动器和高分辨率的超声电机等，但一些关键问题急需解决。

1.2ANSYS软件在超声电机中的应用

有限元法是对超声电机振子进行频率、模态分析时最常用的方法。

它的优点在于能适应较为复杂的情况，包括振子所受的力和约束边界条件，结构阻尼，和不同材料、复杂形状组成的结构等。

ANSYS软件的出现，为对超声电机进行有限元分析、优化设计、可靠性设计、运动仿真、模块化设计等方面的设计提供了一种实现手段。

超声电机实际上是超声频域内的振动电机。

不管是行波型或驻波型、旋转型或直线型超声电机都是依靠压电陶瓷的逆压电效应来激发起定子在超声域内的共振（振幅为微米级），再通过定子转子或定子动子之间的摩擦作用，将其微米级共振振动转换为转子或动子的单方向的宏观转动或直线运动。

由此，定子的动态特性（共振频率及其振型）就至关重要。

选取超声电机定子的最佳共振频

率及其振型，并根据其振型来设计压电陶瓷片的形状及其分区极化的配置是超声电机设计的首要问题。

应用ANSYS进行模态分析求解超声电机振子的固有频率和振型。

保证刚度矩阵能够较好地反映结构的真实刚度，应使所建立的实体模型真实反映模拟结构的几何形状。

还应建立一个准确的力学模型，施加外载荷和边界约束条件。

模态分析可以确定超声电机的振动模态、共振频率以及共振时的振型，根据所得结果和期望结果的差异来调整电机结构尺寸并进行支撑设计，对于初步的电机结构设计有很大作用。

在完成电机模态分析和设计后，可以确定谐响应分析的频率范围，接着进行谐响应分析。

谐响应分析可以求出某个节点在某个频率点下的振幅，这个振幅是绝对值，不像模态分析中，振幅是一个相对值。

再根据谐响应分析的结果对电机的定子的结构进行改进，进一步优化设计电机。

利用ANSYS软件强大的分析和优化功能，我们设计了多种直线型超声电机，对其运动机理进行了研究，为以后的研究奠定了良好的基础。

1.3超声电机的内容及应用

1、两弯曲振子驻波旋转超声电机的内容及特点

本论文的两弯曲振子驻波旋转超声电机的采用双足式受激发弯曲振动，使定子与转子之间产生摩擦驱动力矩，促使转子旋转输出力矩，这种激发过程是利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转换为机械能，在一定频率（通常>20kHz）的电信号激励下，定子会产生超声波振动。

利用上述原理设计一种新型的超声电机，这种超声电机整体尺寸非常小，结构紧凑、简单。

与电磁式电机相比有以下特点：

（1）转子采用双向旋转，两振子单独工作，换向稳定，惯性极小，断电自锁，静态保持力矩大。

（2）低转速、大转矩，无需减速机构可直接驱动负载、结构简单、重量轻，120mm的超声电机具有40Nm的力矩。

（3）体积小，功率体积比是电磁电机的3-10倍。

（因为=（1000-2000））

（4）起动停止响应快，响应时间小于1ms。

（5）不产生也不受电磁干扰、不怕辐射，且可用于-80C的低温，美国已将它发射到火星上进行试验。

（6）有自保持力矩、无齿轮间隙、可精密定位，具有纳米量级的分辨率。

（7）不需润滑剂，运行安静无噪声。

其缺点是摩擦损耗大，寿命最长只有5000h，不适合连续工作，最大转矩受限制。

2、两弯曲振子驻波旋转超声电机的应用

1）、两弯曲振子驻波旋转的超声电机整体尺寸比较小，适合于小型化应用，此超声电机的特点决定了它在小型、微型机械、精密定位、伺服控制等方面的应用具有明显的优越性。

（1）宇宙结构件，两弯曲振子驻波旋转超声电机结构非常简单，工作界面空间比较大，工作原理简单，而且体积小重量轻，对空间显得十分宝贵的宇宙结构件尤为适合。

而且不产生磁干扰，不用像齿轮等需要润滑。

（2）机器人关节驱动，关节是组成机器人的关键部件，采用两弯曲振子驻波旋转型超声电机作力控制元件，可实现关节的动柔度控制。

且功率重量比高。

（3）纸、卡片等薄片的传送，采用两弯曲振子驻波旋转型超声电机的纸、卡片等薄片传送装置，可以实现打印机、磁卡机等办公自动化设备的小型化、扁平化。

（4）CD-ROM驱动，用两弯曲振子驻波旋转超声电机作CD-ROM的驱动装置，有快速的起动停止响应，位置分辨率高，能使CD-ROM薄型化。

依据两弯曲振子驻波旋转超声电机的特点，应用前景很广阔。

2）、两弯曲振子驻波旋转超声电机的亟待解决的问题，也是超声电机要解决的问题：

（1）摩擦磨损问题是超声电机的技术堡垒之一。

目前制约超声电机进入市场的关键因素也是正是与摩擦磨损问题紧密相关的耐久性和效率。

因此，把握超声电机特有的传动界面的摩擦状况，解决摩擦问题，便成为发展超声电机关键。

（2）超声电机主要利用共振使压电体振幅增幅。

而共振是不稳定的现象，会因为环境温度、负载大小、电源波动而变化。

如何使性能长时间稳定，需要深入研究。

第2章驻波旋转超声电机的方案设计

2.1驻波旋转超声电机的工作原理

2.1.1工作原理

两弯曲振子驻波旋转超声电机是利用压电材料的逆压电效应产生超声波振动，把电能转换为弹性体的超声波振动，并通过摩擦传动的方式转换成输出轴的回转运动，并利用两个振子的不同位置实现输出轴的正向和反向旋转。

在振动体的压电陶瓷上施加超声波频率的交流电压时，由逆压电效应能够在振动体内激发出几十千赫兹的超声波振动，使得振动体表面起驱动作用的质点形成一定运动轨迹的超声波频率微观振动，本电机是驻波型所以这个微观振动的轨迹为直线型，该微观振动带动与之相连的振子一起振动，转化为宏观的弯曲振动，从而使其带动轴实现旋转运动。

2.1.2陶瓷片的性能要求及振动模式

1、超声电机用压电陶瓷的性能要求

压电陶瓷是超声电机中产生超声振动的驱动源，是将电能转化成振动能的换能材料。

由于压电陶瓷可以有多种不同的振动模式，因而随着超声电机研究的不断深入，对压电陶瓷材料的性能、规格、加工精度及元件结构等提出了更多的要求。

对于正余弦交流驱动的超声马达,大多工作在谐振状态下，要求用“硬性”压电陶瓷，即高机械品质因子、较小的介质损耗正切、高功率密度和高机械强度，同时具备“软性”的特点要求尽可能大的机电耦合系数和压电常数,并且应该兼顾时间和温度稳定性。

作为超声电机使用的压电陶瓷,除了对材料性能有要求外，同时对换能器片也有很高的要求，主要表现为：

（1）换能器片具有足够的强度,避免振动断裂。

（2）具有很好的均质性。

（3）足够高的加工精度。

2、压电陶瓷片的振动模式

压电陶瓷片的振动模式分为伸缩振动、剪切振动和弯曲振动三种类型。

其中，压电陶瓷片的单一振动模式分为伸缩振动模式和切变振动模式。

弯曲振动是间接产生的，为复合振动模式。

当极化方向与电场方向平行时，产生伸缩振动，当极化方向与电场方向垂直时，则产生切变振动，对于矩形压电陶瓷片所能激发的振动可以分成四类，如图2.1所示。

具体为：

1）垂直于电场方向的伸缩振动，既长度伸缩振动模式（简称为LE）。

2）平行与电场方向的伸缩振动，既厚度伸缩振动模式（简称为TE