【正文】 廠（核電站）。這表明，軸振動(dòng)故障導(dǎo)致從腐蝕疲勞現(xiàn)象的原因進(jìn)行了微動(dòng)測(cè)試在高溫度（320 C）和蒸餾水加壓（15兆帕）的條件。經(jīng)過(guò)500h后的測(cè)試，但是，兩個(gè)振動(dòng)中4人骨折，其中軸被連接到一個(gè)試樣座使用螺栓夾具。這一切都將使我在未來(lái)的工作和生活中受益無(wú)窮。參考文獻(xiàn)[1] 上羽貞行，[M].楊志剛，鄭學(xué)倫 ：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1999[2] [J].（1）[3] Lavrinenco V V， Vishnevski V S， Kartashev I A. Radio electron. 1976， 13(57)[4] Petit L， Briot R， Lebrum L. A piezomotor using longitudinal actuators. IEEETransactions on Ultrasonics， Ferroelectrics and Frequency Control. 1998，45(2)[5] [D].：華僑大學(xué)，2008[6] 見城尚志，－タ入門[M].東京：[7] 趙淳生，、19（1）：17[8] Barth H V. Ultrasonic driven motor[J]. IBM Technical Disclosure Bulletin, 16(7):2263,1973[9] [M].北京：[10][D].：浙江大學(xué)，2005[11]周鐵英，崔玉璽，陳新業(yè)，彭軍宇，,23（1）：5156致謝衷心地感謝我的導(dǎo)師周里群教授。國(guó)內(nèi)外有很多科研機(jī)構(gòu)都正在對(duì)其進(jìn)行研究。它的基本結(jié)構(gòu)及工作完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，主要由高頻電源、壓電陶瓷、定子、轉(zhuǎn)子以及預(yù)壓力機(jī)構(gòu)等組成。由于超聲波電機(jī)定子表面振幅一般只有幾個(gè)微米，因而定轉(zhuǎn)子配合、預(yù)壓力施加裝置的配合等裝配過(guò)程引入的誤差都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率的下降、機(jī)械摩擦噪聲增加及轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)等問(wèn)題的出現(xiàn)。在軸上分布有定子、轉(zhuǎn)子、碟簧、平面軸承，軸兩端有滑動(dòng)軸承。定子和轉(zhuǎn)子之間需要有加壓裝置，主要通過(guò)蝶簧來(lái)施加，并保證定子與轉(zhuǎn)子在接觸面上，預(yù)壓力能均勻分布。因?yàn)楸救嗽诖舜握撐闹校瓷婕败浖抡妫饰催M(jìn)行有效地驗(yàn)算，不過(guò)，行波型超聲波電機(jī)是目前所有典型超聲波電機(jī)中力矩最小的一種。較大的摩擦系數(shù)可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩和較高的能量傳遞效率，但是如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或定 轉(zhuǎn)子材料選擇等環(huán)節(jié)處理不當(dāng)?shù)脑?，則可能發(fā)生磨損率高，電機(jī)不穩(wěn)定等特點(diǎn)。該轉(zhuǎn)子結(jié)能使磨損均勻分布在整個(gè)接觸區(qū)域，大大降低了摩擦層磨損，且由于壓力降低，摩擦層的損耗隨之減小 另外，定轉(zhuǎn)子接觸表面的加工精度是關(guān)系到定子的振動(dòng)能能否有效地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)能的關(guān)鍵，其平面度和粗糙度對(duì)電機(jī)運(yùn)行噪聲、能量轉(zhuǎn)化效率、運(yùn)行平穩(wěn)性等性能影響很大。Minotti等使用ANSYS對(duì)定轉(zhuǎn)子接觸情況進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明：存在徑向彎曲效應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的局部接觸壓力是接觸區(qū)域無(wú)徑向彎曲效應(yīng)情況下的10倍以上。如圖 轉(zhuǎn)子柔性與接粗面變形 定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合由于超聲波電機(jī)是基于摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理工作的，使用壽命是超聲波電機(jī)實(shí)用化生產(chǎn)的一大障礙，為了提高壽命，可以增加定轉(zhuǎn)子的接觸面積，減小預(yù)壓力，從而降低摩擦層的損耗和增加其使用壽命。Maeno等人分析了剛性硬轉(zhuǎn)子與軟轉(zhuǎn)子接觸面對(duì)電動(dòng)機(jī)性能的影響，指出了硬耐磨表面的轉(zhuǎn)子可以通過(guò)其結(jié)構(gòu)的變形獲得轉(zhuǎn)子的柔性，能夠消除由于高聚物摩擦層振動(dòng)損耗而損失的效率。在進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)時(shí)，主要需要考慮的是轉(zhuǎn)子的柔性及定轉(zhuǎn)子的靜態(tài)徑向彎曲配合，并由此確定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)和尺寸。彈性體和壓電陶瓷片的材料分別為紫銅和PZT4，它們的材料屬性如下表32。表31 行波型超聲波電機(jī)定子設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)TRUSM30定子外徑(D)30mm定子內(nèi)徑(d)20mm定子齒數(shù)(N)36個(gè)齒的高度(h0)支撐厚度(t)1mm彈性體厚度(H)壓電體厚度(h)厚度比值(h /H)1:7由于定子需要與轉(zhuǎn)子緊密接觸從而產(chǎn)生摩擦力以推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，因此定子彈性體表面需要有比較高的硬度，彈性模量較小的彈性材料。由于定子齒面和轉(zhuǎn)子相壓產(chǎn)生摩擦幅，所以彈性體表面加工的時(shí)候要求精度比較高，要研磨。定子的支撐部分設(shè)計(jì)的厚度一般選擇能夠滿足定子的支撐強(qiáng)度即可，可以選在t=~1mm之間選擇，支撐位置在定子的中間位置。這種電機(jī)定子在定子環(huán)內(nèi)圈有一段比較薄的支撐板，它可以達(dá)到徑向隔振的作用，而且可以便于超聲波電機(jī)的固定。3：一般情況下，我們認(rèn)為定子齒的寬度w遠(yuǎn)小于定子行波波長(zhǎng)兄，在定子內(nèi)外徑尺寸、齒數(shù)和槽寬都確定后，齒寬也就唯一確定了，即:根據(jù)前面的數(shù)據(jù)，=15mm；=10mm；N=36；=；w=4: 電機(jī)的齒高h(yuǎn)，有個(gè)最佳值，齒高太大，定子的諧振頻率降低，定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)滑動(dòng)和磨損增大，輸出力矩降低，且容易產(chǎn)生噪聲。另外還需要確定開槽的數(shù)目，如果齒槽數(shù)N是節(jié)徑n的4或8倍數(shù)，并且沿圓周均勻分布，那么特征頻率將不分離，這樣就會(huì)取得比較好的振動(dòng)效果。因此，在定子的接觸面采用齒槽結(jié)構(gòu)。尺寸小的電機(jī)的模態(tài)頻率偏高些，可以選用低階模態(tài)適當(dāng)降低諧振頻率，如n取3，5等值，本文初選n=3 定子的齒形齒數(shù)設(shè)計(jì)行波型超聲波電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速關(guān)鍵取決于定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)，該橢圓運(yùn)動(dòng)不僅與激勵(lì)電壓、壓電陶瓷材料和結(jié)構(gòu)有關(guān)，而且與定子彈性體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 定子的振動(dòng)模態(tài)的選擇行波型超聲波電機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)的選擇要遵從以下兩個(gè)原則:一是定子驅(qū)動(dòng)的對(duì)稱性，這決定了電機(jī)的振動(dòng)模態(tài)必須為奇數(shù)。但是我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常定子的內(nèi)外徑和壓電陶瓷的內(nèi)外徑相一致，因而可以根據(jù)壓電陶瓷的內(nèi)耗大小來(lái)確定定子的內(nèi)徑。由參考文獻(xiàn)給出 (323)上式中為與材料特性、電場(chǎng)特性有關(guān)的常數(shù)。綜合考慮上述各項(xiàng)因素，可得在同一波數(shù)條件下，超聲波電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與電機(jī)外徑成一次反比關(guān)系，即。 定子尺寸與行波超聲波電機(jī)輸出特性的關(guān)系超聲波電機(jī)的輸出特性是指輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在圖中區(qū)域?yàn)樾胁ê铣蓞^(qū)，此區(qū)域利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)可以檢測(cè)到壓電陶瓷的振動(dòng)情況，可將檢測(cè)到的信號(hào)作為電機(jī)控制的反饋信號(hào)。 （c）所示的方式極化、接線，也可以形成時(shí)間上和空間上分別相差90176。的交流電壓，這樣兩個(gè)駐波合成為行波。基于以上的考慮，本文中選擇保定天一代號(hào)為TY8的壓電陶瓷材料，它的，居里溫度C。動(dòng)態(tài)抗張強(qiáng)度大。另外，壓電陶瓷片的厚度對(duì)壓電振子的固有諧振頻率影響較大，~。，GND段為接地，作為A區(qū)和B區(qū)的公共地，S段為用于將兩駐波合成為一個(gè)行波，也可作為控制和測(cè)量用反饋信號(hào)的傳感器?！埃薄ⅰ埃碧?hào)表示極化方向，定子上的環(huán)形壓電陶瓷片按一定規(guī)則分割極化后分為A、B兩相區(qū)，相鄰兩級(jí)空間排列相差π/2（1/4波長(zhǎng)），并且分別受到在時(shí)間上也相差π/2的高頻電源的激勵(lì)（E1和E2）。由上式可知，定子的諧振頻率與定子半徑二次方成反比，與定子上波數(shù)的平方成正比，同時(shí)定子的諧振頻率還與定子所用的材料特性、定子環(huán)的截面積有關(guān)。由復(fù)合梁的彎曲理論可知，在中性層上所有正應(yīng)力為零。設(shè)彈性梁的駐波波動(dòng)方程為： (31)上式中：——駐波軸向位移——定子環(huán)上駐波的波數(shù)——定子環(huán)平均直徑上的周長(zhǎng)相應(yīng)的變分為 (32)則慣性力在整個(gè)定子梁上所作的虛功根據(jù)參考文獻(xiàn)為 (33)上式中：——等效前的彈性體的材料密度；——等效前彈性體的截面積； ——等效前后梁的寬度把和式（31）和（32）代入式（33）并積分，得 (34)其中根據(jù)參考文獻(xiàn) (35)為等效密度系數(shù)。 定子環(huán)的等效梁模型(a)(b)(c)在作定子環(huán)的等效梁分析時(shí)可以分兩步進(jìn)行。 定子諧振頻率的計(jì)算超聲波電機(jī)的定子是由彈性體與壓電陶瓷粘接在一起的。第3章 行波型超聲波電機(jī)的理論計(jì)算與設(shè)計(jì)超聲波電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)不同，還未建立起系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法。一旦定子制作完畢，工作時(shí)該橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的長(zhǎng)軸和短軸一般不能獨(dú)立地調(diào)整。若該駐波與余弦交變電壓在彈性體內(nèi)所產(chǎn)生的駐波在空間上相差四分之一波長(zhǎng)，則其駐波方程(211)式中，表示B相激勵(lì)電壓與彈性體響應(yīng)間的相位差，其余符號(hào)意義與式（212）相同。(c)(a) 駐波的形成壓電陶瓷彈性體壓電陶瓷的變形壓電陶瓷的變形電源電源(b)壓電陶瓷彈性體 駐波的產(chǎn)生及行波的合成，將極化方向相反的壓電陶瓷依次粘貼于彈性體上，當(dāng)在壓電陶瓷片上加直流電壓時(shí)，壓電陶瓷片會(huì)產(chǎn)生交替伸縮變形，如圖(a)所示；如果將直流電壓反相時(shí)，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生相反的交替伸縮變形，如圖(b)所示；如果在其上加交變電壓，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生交變伸縮變形，結(jié)果可在彈性體內(nèi)產(chǎn)生駐波，如圖(c)所示。其轉(zhuǎn)子速度為 (29)由此可見，旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機(jī)是利用定子行波波峰處質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)的縱向速度使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度即為定子表面質(zhì)點(diǎn)的縱向速度。這就證明了彎曲行波是可以形成質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的。的彎曲振動(dòng)駐波，進(jìn)而在彈性體定子內(nèi)合成一個(gè)沿圓環(huán)周向旋轉(zhuǎn)的彎曲振動(dòng)行波，行波使彈性體與運(yùn)動(dòng)體相接觸的表面質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動(dòng)。行波使定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面質(zhì)點(diǎn)沿橢圓軌跡轉(zhuǎn)動(dòng)，利用定子與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，這是行波型超聲波電機(jī)傳動(dòng)的最基本的工作原理。超聲波電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，必將對(duì)我國(guó)國(guó)防和其他國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門起著重大作用。可以預(yù)言，隨著超聲波電機(jī)在工業(yè)界的成功應(yīng)用，將會(huì)發(fā)生一場(chǎng)新的技術(shù)革命。超聲波電機(jī)以其新穎的工作原理和獨(dú)有的性能特點(diǎn)，引起人們的廣泛的注意。行波型超聲波電機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸小，旋轉(zhuǎn)方向可以改變，速度和位置容易控制。從上面的分類中可以知道超聲波電機(jī)可以有很多種不同的形態(tài)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)位移的量級(jí)也可以分為一般的超聲波電機(jī)和微動(dòng)超聲波電機(jī)（微米級(jí)和亞微米級(jí)的驅(qū)動(dòng)位移）。 超聲波電機(jī)的分類超聲波電機(jī)利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)及彈性體的機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。高頻電源產(chǎn)生信號(hào)的頻率和電機(jī)的固有頻率一致，形成共振，產(chǎn)生高頻機(jī)械振動(dòng)。超聲波電機(jī)一般由高頻輸入電源、定子（壓電陶瓷和彈性體）和轉(zhuǎn)子（移動(dòng)體和耐磨材料)組成。這種超聲波電動(dòng)機(jī)具有高速性，無(wú)負(fù)荷速度是2000rpm；高效率，最大效率達(dá)60%；壽命短，因?yàn)檎駝?dòng)片和轉(zhuǎn)子之間近乎直角的接觸，兩者之間接觸和脫離瞬間的滑動(dòng)無(wú)法解決，因此產(chǎn)生的磨損使壽命較短。但由于在運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，電機(jī)的磨損和發(fā)熱嚴(yán)重，很難保持振動(dòng)片的恒幅振動(dòng)，故也未獲得實(shí)際應(yīng)用。并指出了超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、低速大轉(zhuǎn)矩、單位質(zhì)量功率大、運(yùn)動(dòng)精確、能量轉(zhuǎn)換效率高等一些基本特性。1961年，英國(guó)的Bulova Watch Ltd鐘表公司首次提出了用彈性體振動(dòng)能量作為驅(qū)動(dòng)力的理論，并研制成音叉驅(qū)動(dòng)的手表，在國(guó)際上引起了轟動(dòng)。雖然USM是近二十年才備受重視并得到巨大發(fā)展的一種新型直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，其發(fā)展史卻可追溯到五十多年以前。超聲波電機(jī)（Ultrasonic Motor，簡(jiǎn)稱USM）的基本結(jié)構(gòu)及工作原理完全不同于傳統(tǒng)的電機(jī)，沒(méi)有繞組與磁路，不以電磁作用傳遞能量，而是一種利用超聲波振動(dòng)能作為驅(qū)動(dòng)源的新原理電機(jī)，是電機(jī)制造、機(jī)械振動(dòng)學(xué)、摩擦學(xué)、功能材料、電子技術(shù)和自動(dòng)控制等學(xué)科綜合交叉發(fā)展的產(chǎn)物。無(wú)論在理論上、設(shè)計(jì)方法上或制造技術(shù)上，都已達(dá)到十分完善的程度。在對(duì)超聲波電機(jī)相關(guān)理論研究的基礎(chǔ)上，從超聲波電機(jī)定子設(shè)計(jì)著手，詳細(xì)介紹了超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程。由于超聲波電機(jī)特殊的工作原理，它具有很多傳統(tǒng)電磁電機(jī)無(wú)法比擬的優(yōu)越性能，如結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)速度快、不受磁場(chǎng)影響、斷電自鎖、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等。與傳統(tǒng)電磁型電機(jī)截然不同，其驅(qū)動(dòng)力矩并非由電磁感應(yīng)產(chǎn)生，它利用壓電陶瓷的壓電效應(yīng)使定子產(chǎn)生超聲波振動(dòng)，通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子。研究的主要內(nèi)容可概括如下：系統(tǒng)地總結(jié)國(guó)內(nèi)外超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史和重要意義，介紹了超聲波電機(jī)的工作原理、分類、特點(diǎn)及其應(yīng)用前景。 超聲波電機(jī)的定義與發(fā)展歷史傳統(tǒng)電機(jī)的發(fā)明和發(fā)展已有100多年的歷史。其中，二十世紀(jì)末期發(fā)展起來(lái)的超聲波電機(jī)算是最典型的一種?？梢哉f(shuō)，超聲波電機(jī)技術(shù)是處于當(dāng)今世界高新技術(shù)之一。據(jù)筆者收集的資料，將超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史過(guò)程總結(jié)如下： 的超聲波電機(jī)利用彈性振動(dòng)獲得動(dòng)力的嘗試是從鐘表開始的。與此同時(shí)。結(jié)構(gòu)上不僅能夠降低了共振頻率，而且放大振幅。振子的前端面作縱向振動(dòng)，其上安裝楔形的振動(dòng)片，振動(dòng)片前端跟圓板狀的轉(zhuǎn)子接觸，前端的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)變形了的橢圓。 超聲波電機(jī)的基本工作原理。 超聲波電機(jī)的基本原理示意圖從這里可以看出，超聲波電機(jī)是利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)原理。其能量轉(zhuǎn)換可分為以下兩個(gè)過(guò)程：①高頻交流通過(guò)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)把電能轉(zhuǎn)換為定子的機(jī)械能；②定轉(zhuǎn)子之間通過(guò)摩擦耦合把定子的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的機(jī)械