【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的接觸面上需要附著一層摩擦材料 。另外還有其他電機(jī)附件，如加壓彈簧、滾動(dòng)軸承、用于放置定子的定子座和電機(jī)蓋，這些都是超聲電機(jī)不可缺少的部件，每個(gè)部件有其特殊的功能，比如放于轉(zhuǎn)子之上的加壓彈簧，這個(gè)部件是為了在定子與轉(zhuǎn)子之間需要有一定的軸向預(yù)壓力，才有可能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的切向摩擦力。此電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，輸出力矩及輸出的轉(zhuǎn)速的范圍大，扭矩與體積的比值也大。 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析 壓電陶瓷與壓電振子 壓電陶瓷是超聲電機(jī)中所使用的特殊材料，是用于將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件。定子表面的質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)也是由于壓電陶 瓷的逆壓電效應(yīng)激勵(lì)的，壓電陶瓷的電能與機(jī)械能的耦合是超聲電機(jī)的運(yùn)行基礎(chǔ)?？梢?jiàn)壓電陶瓷對(duì)于超聲電機(jī)的重要性。了解壓電陶瓷對(duì)于超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的幫助，同時(shí)也能更好地實(shí)施超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。所以對(duì)于壓電陶瓷的研究關(guān)系到是否能提高超聲電機(jī)的綜合性能。 1880 年，居里兄弟（ PierreCurie 和 JacquesCurie）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)在 α石英晶體 的特定方向上施加一定的機(jī)械外力，晶體會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在與機(jī)械外力方向垂直的兩個(gè)表面內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電荷。通過(guò)定量的分析，發(fā)現(xiàn)電荷密度與外力的大小成正學(xué)士學(xué)位論文 12 比，這就是現(xiàn)在 的“壓電效應(yīng)（ Piezoelectric Effect）”，也稱為正壓電效應(yīng)。其后他們又發(fā)現(xiàn)：當(dāng) α石英晶體 在外電場(chǎng)的作用下，晶體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或者應(yīng)變，使得晶體發(fā)生變形，這就是現(xiàn)在的逆壓電效應(yīng)。后來(lái)把正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱為壓電效應(yīng)，同時(shí)把具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電體。有了壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。并不是所有的晶體都具有壓電效應(yīng)的，是否具有壓電效應(yīng)取決于晶體本身的結(jié)構(gòu)。研究表明，壓電體可以是單晶體、多晶體、聚合物、生物體（如骨骼）。其中超聲電機(jī)所使用的壓電陶瓷一般為壓電多晶體鋯鈦酸鉛，其化 學(xué)式為 Pb(ZrTi)O3,英文縮寫(xiě)為 PZT。 (a) 極化前的電疇取向 (b) 極化后的電疇取向 圖 壓電陶瓷中的電偶極子 壓電陶瓷本身是一種鐵電體，在未經(jīng)極化前沒(méi)有壓電性。微觀上，壓電陶瓷可以看作是眾多無(wú)規(guī)則取向的鐵電晶體組成的 ,如圖 (a)所示。這種無(wú)規(guī)則的取向和微晶中的“電疇”結(jié)構(gòu)，使得燒結(jié)后的陶瓷體在宏觀上為各向同性的、不呈現(xiàn)壓電性。為使壓電陶瓷具有壓電性，使電場(chǎng)與 形變構(gòu)成所謂的本構(gòu)關(guān)系，就需預(yù)先對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化，即需在壓電陶瓷片上施加很高的直流極化電場(chǎng)，如圖 (b)所示，使鐵電體中的“電疇”的取向盡可能具有一致性，而撤除該電場(chǎng)后，由于鐵電晶體具有類似磁滯的“電滯回線”特性，從而會(huì)使壓電陶瓷中仍能保留一定的剩余電場(chǎng)。當(dāng)在此剩余電場(chǎng)上疊加一小的交流電場(chǎng)時(shí)，由于交流電場(chǎng)相對(duì)很小，其作用一般不足以使“電疇”轉(zhuǎn)向 ，但可以引起電疇邊界的移動(dòng)，使與電場(chǎng)同向的電疇體積增大，與電場(chǎng)反向的電疇的體積減小，這樣，經(jīng)過(guò)極化的壓電陶瓷便具有了較典型的壓電性?？梢?jiàn)，經(jīng)極化處理后的壓電陶瓷 可當(dāng)作壓電晶體使用，而且其壓電性會(huì)表現(xiàn)得更明顯。 當(dāng)把交變電場(chǎng)以特定方式施加到壓電陶瓷片上以后 ,通過(guò)逆壓電效應(yīng)可激發(fā)出壓電陶瓷的振動(dòng)模式，這時(shí)壓電陶瓷就成為了一個(gè)壓電振子。壓電振子典型振動(dòng)模式主要有：垂直于電場(chǎng)方向的長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)（簡(jiǎn)稱 LE）、平行于電場(chǎng)方向的厚度伸縮振動(dòng)（簡(jiǎn)稱 TE），垂直電場(chǎng)平面內(nèi)的平面切變振動(dòng)（簡(jiǎn)稱 FS）和平行于電場(chǎng)平面的厚度切變振動(dòng)（簡(jiǎn)稱 TS）等四種類型，如圖 所示。設(shè)計(jì)壓電振子時(shí)，除應(yīng)選擇合適的 壓電陶瓷材料之外，還要選擇合適的壓電振子振動(dòng)模式。其中，板式旋轉(zhuǎn)行波超聲學(xué)士學(xué)位論文 13 電機(jī)利用的是壓電 陶瓷的 LE 模式的振動(dòng)。 壓電陶瓷的極化供電配置 根據(jù)行波的形成，為能在定子彈性體上激發(fā)出兩相時(shí)、空上相差 2? 的駐波，就必須合理地配置壓電陶瓷的極化方向及激勵(lì)方式，只有這樣才能產(chǎn)生正確激振力。為便于說(shuō)明這一問(wèn)題，假想地將圓環(huán)展開(kāi)為直梁，則通過(guò)以下三種極化配置和激勵(lì)方式可得到所需的兩相駐波： 1） 將上、下兩片壓電陶瓷環(huán)和彈性體粘接在一起，兩個(gè)壓電陶瓷的電極在空間 (a) LE模式 (b) TE模式 (c) FS模式 (d) TS模式 圖 壓電振子的四種振動(dòng)模式 (a) 方式一 (b) 方式二 (c) 方式三 圖 壓電陶瓷的極化配置方案 學(xué)士學(xué)位論文 14 上相互錯(cuò)開(kāi) 4? ，在兩片壓電陶瓷上施加相位差為 2? 的交變電壓，如圖 (a)所示。采用這樣的方式激發(fā)的兩個(gè)駐波可合成為行波。 2） 將同一片壓電陶瓷環(huán)極化處理為極化方向相反的兩個(gè)部分，并使這兩部分在空間上錯(cuò)開(kāi) 4? 波長(zhǎng)，如圖 (b)所示， 同時(shí)在這兩部分上分別施加時(shí)間上相差 2?的交流電壓，則在兩個(gè)部分上分別產(chǎn)生的駐波，它們也同樣可以疊加出行波。 3） 在一片壓電陶瓷上 按圖 (c)所示的方式進(jìn)行極化和施加電壓，也可以形成時(shí)間上、空間上分別相差 2? 的駐波信號(hào)。 大多數(shù)旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)采用 圖 (b)的 方式，如旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī) TRUM60工作在 B09模態(tài)下，其極化方式即采用上述第二種配置方案，如圖 所示。 為旋轉(zhuǎn)型行波的一種特殊的形式，也是采用相同的方案。 圖中， A 區(qū)（相）和 B 區(qū)（相）為極化激勵(lì)區(qū)?？紤]到必須預(yù)留一個(gè)波長(zhǎng)空間（另有它用），所以駐波的波數(shù)選定為奇數(shù)，處于極化區(qū)的壓電陶瓷正好占用偶數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的空間。這樣做的目的 是為了更好地保證激勵(lì)出兩相駐波的左右對(duì)稱性。預(yù)留的一個(gè)波長(zhǎng)中 4? 區(qū)域稱為孤極反饋區(qū)，通常該區(qū)也要進(jìn)行極化，但該區(qū)不是用來(lái)實(shí)現(xiàn)定子激勵(lì)的，其上也不施加交變電壓。該區(qū)在隨定子一起振動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槟鎵弘娦?yīng)而會(huì)產(chǎn)生交變電壓，通過(guò)該電壓可判斷超聲電機(jī)的工作狀態(tài)，因此該電壓可作為驅(qū)動(dòng)和控制的反饋信號(hào)。 GND 區(qū)占據(jù)四分之三個(gè)波長(zhǎng)，它是作為 A 區(qū)和 B 區(qū)的公共地。值得一提的是，采用以上極化配置方式時(shí)，當(dāng)給處于 A 相極化區(qū)內(nèi)的壓電陶瓷單獨(dú)激振時(shí)，可以激發(fā)出 A 相駐波，此時(shí) B 相壓 電陶瓷中由于逆壓電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電壓，但由于 B 相壓電陶瓷在同一極性的極化小區(qū)內(nèi)一半處于波峰區(qū)，一半處于波谷區(qū)， 因此 由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓正負(fù)抵消 ，即 A、 B 兩相壓電陶瓷的激振互不影響。 圖 TRUM60 電機(jī)的壓電陶瓷的極化方式 彎曲駐波振動(dòng)的產(chǎn)生過(guò)程 超聲波以行波和駐波的形式傳播，都是由頻率 和 振幅 均相同、振動(dòng)方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波。 當(dāng) 波在介質(zhì)中傳播時(shí)其波形不斷向前推進(jìn)，稱學(xué)士學(xué)位論文 15 為 行波 （ Traveling Wave） ； 當(dāng) 上述兩列波疊加后波形 并不向前推進(jìn)，稱 為 駐波 （ Standing Wave） 。 壓電陶瓷質(zhì)硬且脆，通過(guò)壓電效應(yīng)直接產(chǎn)生的位移很小，因此，采用壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)電能 與機(jī)械能之間 轉(zhuǎn)換時(shí)，一般不把它直接當(dāng)作壓電振子來(lái)使用，而是將它與某種彈性體粘接在一起共同構(gòu)成振動(dòng)體，這種振動(dòng)體稱為壓電層合結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的定子實(shí)際就是一個(gè)壓電層合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中壓電陶瓷用于對(duì)定子彈性體施加激振力，使定子產(chǎn)生位移響應(yīng)。 （ a）拉彎組合變形 （ b）壓彎組合變形 圖 壓電陶瓷激發(fā)的結(jié)構(gòu)變形 若按如圖 (a)所示的方式在彈性板下面粘貼一組壓電陶瓷片，使任意的相鄰的兩片陶瓷的極化方向是相反的，則當(dāng)沿著極化方向通以電壓時(shí)，壓電陶瓷片會(huì)產(chǎn)生圖(b)所示的在相鄰極化區(qū)域交替伸縮的變形狀態(tài)；如果將直流電壓進(jìn)行反相，壓電學(xué)士學(xué)位論文 16 陶瓷會(huì)產(chǎn)生圖 (c)所示的相反方向的交替伸縮變形狀態(tài)；不難理解，若在其上施加交變電壓，則壓電陶瓷將產(chǎn)生如圖 (d)的交變伸縮變形。這樣，就可在壓電層合梁中形成彎曲駐波振動(dòng) 。 （ a）電場(chǎng)激振前（ b）正向激勵(lì)（ c）反向激勵(lì) (d) 駐波振動(dòng) 圖 定子駐波的產(chǎn)生 過(guò)程示意圖 彎曲行波的產(chǎn)生過(guò)程和運(yùn)動(dòng)分析 作為旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的振動(dòng)主體的定子，是一個(gè)帶支撐板的圓環(huán)。，這種結(jié)構(gòu)的定子上有梳齒結(jié)構(gòu)，理論上講，其振動(dòng)方程沒(méi)有解析表達(dá)式， 因內(nèi)支撐 板 較 薄 且 質(zhì)的重要尺寸和結(jié)構(gòu)。再完成模態(tài)分析之后，還需要確定諧響應(yīng)分析的頻率范圍和諧響 (a) 08BA模態(tài)的 頻率 FREQ=29745H 學(xué)士學(xué)位論文 17 (b) 08BB模態(tài)的 頻率 FREQ=29761Hz (c) 09BA模態(tài)的 頻率 FREQ=36457Hz (d) 09BB模態(tài)的 頻率 FREQ=36470Hz 學(xué)士學(xué)位論文 18 (e) 10BA模態(tài)的 頻率 FREQ=43471H (f) 10BB模態(tài)的 頻率 FREQ=43471Hz 圖 模擬仿真所得到振型 應(yīng)的分析。在諧響應(yīng)的分析過(guò)程中，可以求出某個(gè)節(jié)點(diǎn)在某個(gè)頻率下的振幅，這個(gè)振幅是一個(gè)絕對(duì)值，這不同于模態(tài)分析中的振幅，模態(tài)分析中的振幅是一個(gè)相對(duì)值。最后依據(jù)以上這些分析的結(jié)構(gòu)再對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)的作用。 本章小結(jié) 本章主要討論了超聲波的模態(tài)分析過(guò)程并從理論和模擬仿真兩個(gè)方面。通過(guò)這些分析計(jì)算，得出 定子的固有頻率的理論值和振動(dòng)振幅的理論值，利用 ANSYS 有限元分析軟件模擬仿真得出定子的固有頻率的實(shí)際值和振幅的實(shí)際值。根據(jù)理論值與實(shí)際值之間的差值進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)的結(jié)構(gòu)和相關(guān)尺寸。這為了后續(xù)的電機(jī)設(shè)計(jì)提供條件。 4. 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 引言 超聲電機(jī)經(jīng)過(guò)了這幾十年的發(fā)展，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，還沒(méi)有一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。往往都是依靠經(jīng)驗(yàn)確定電機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)等，再通過(guò)電機(jī)的性能實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證， 根據(jù)需求，提出性能指 標(biāo) 初步確定定子的機(jī)構(gòu) 對(duì)定子進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析 工作頻率是否合適 是否無(wú)模態(tài)混疊 學(xué)士學(xué)位論文 19 圖 旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)流程圖 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果再對(duì)電機(jī)的材料和結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行調(diào)整 。經(jīng)過(guò)數(shù)次的調(diào)整，使電機(jī)達(dá)到最優(yōu)的工作狀態(tài)。 超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)流程 旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程與一般通用機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程一樣，大致經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)階段，設(shè)計(jì)流程如圖 所示。 很據(jù)用戶的需要，確定超聲電機(jī)的性能指標(biāo)要求。旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的性能指標(biāo)主要包括：額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速、額定輸出功率、自鎖扭矩、整體結(jié)構(gòu)尺寸、使用壽命、輸入電壓、噪聲等一般指標(biāo)，對(duì)于一些用于特殊場(chǎng)合的超聲電機(jī)，用戶還有一些特殊的要求．如無(wú)電磁干擾、電機(jī)啟停響應(yīng)時(shí)間、中空結(jié)構(gòu)以及真空使用，等等。 根據(jù)用戶要求的電機(jī)性能指標(biāo)，初步確定其各個(gè)零部件的 材料屬性、結(jié)構(gòu)尺寸等。在行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)尺寸的確定中，首先定子的材料和結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)定子的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理選取。確定了定子的具體尺寸后，要對(duì)定子進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析。另外，還要分析定子在工作模態(tài)附近是否存在干擾模態(tài)。設(shè)計(jì)好定子后設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子。然后根據(jù)設(shè)計(jì)的定、轉(zhuǎn)子的參數(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的超聲電機(jī)進(jìn)行性能仿真，比較仿真結(jié)果是否滿足電機(jī)的性能指標(biāo)要求，從而決定是否修改初步設(shè)計(jì)，抑或繼續(xù)下一步的設(shè)計(jì)工作。 根據(jù)方案設(shè)計(jì)所得到的超聲電機(jī)尺寸，繪制零部件圖紙并加工。然后，對(duì)電機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，并將性能試驗(yàn)的結(jié)果與預(yù)估的性能 指標(biāo)相比較．根據(jù)結(jié)果是否滿足需求， 再進(jìn)行加工或改進(jìn)設(shè)計(jì)方案。 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 定子的結(jié)構(gòu)主要涉及到內(nèi)外徑的選擇，定子厚度的設(shè)計(jì)，定子齒的設(shè)計(jì)及粘結(jié)層的設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。定子作為電機(jī)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)的合理性關(guān)系到電機(jī)的綜合性能是否能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的。研究表明，電機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸和性能有著一些特定的關(guān)系，也被稱為比例效應(yīng)。表 為同一直徑條件下，電機(jī)的尺寸與性能之間的關(guān)系。利用這個(gè)比例因子可以對(duì)電機(jī)的性能進(jìn)行估算。 學(xué)士學(xué)位論文 20 從上表可以看出：當(dāng)電機(jī)處于正常的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滿足： 2?最 大 輸 出 功 率 （ 直 徑 ） ? 3力 矩 （ 直 徑 ） 參量 單位 比例 nL 長(zhǎng)度 m 1L 體積 3m 2L 質(zhì)量 Kg 3L 速度 /ms 0L 角速度 /rads 1L? 功率 W 2L 力矩 Nm 3L 表 超聲 電機(jī)的比例效應(yīng) 定子內(nèi)外徑的選擇 有表 所示的電機(jī)性能的比例效應(yīng)，可以根據(jù)實(shí)際中已有環(huán)形行波超聲電機(jī)的性能大略估算達(dá)到能夠滿足設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)的定子外徑 2r 大小。就環(huán)形行波超聲電機(jī)而言，其壓電陶瓷的內(nèi)外徑一般同定子的內(nèi)外徑一致，因而可根據(jù)壓電陶瓷的內(nèi)耗大小確定定子內(nèi)徑。 研究表明， 當(dāng)內(nèi)外徑比在 左右的時(shí)候，壓電振子的自由振動(dòng)能量損耗最小，因而設(shè)計(jì)內(nèi)徑 1r 為外徑 2r 的 左右 ，即 ? （ 41） 從超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)要可以知道，電機(jī)的定子的外徑 2r =60mm。由式（ 41）可得