【文章內(nèi)容簡介】 ，一般小于1%。機電能量轉(zhuǎn)換效率高、壓電常數(shù)大。動態(tài)抗張強度大。性能穩(wěn)定。居里溫度高。在具體選用壓電材料時，需要綜合考慮材料的這些性能參數(shù)?；谝陨系目紤]，本文中選擇保定天一代號為TY8的壓電陶瓷材料，它的，，居里溫度C?？梢?，它的性能比較符合上面所提出的要求。 壓電陶瓷的接線方式按照行波產(chǎn)生的機理，本文采用的環(huán)形壓電陶瓷片的接線方式主要有下面三種不同的連線方式： （a）所示，將兩片壓電陶瓷和彈性體粘接在一起，兩個壓電陶瓷的電極在空間上相互錯開。在兩片壓電陶瓷上施加相位差90176。的交流電壓，這樣兩個駐波合成為行波。（b）所示，在一片壓電陶瓷上借助于極化方法的不同將壓電陶瓷分成兩個部分，兩部分在空間上相差。在兩部分分別施加時間上相差90176。的交流電壓，這樣兩部分分別產(chǎn)生的駐波同樣可以疊加成行波。 （c）所示的方式極化、接線，也可以形成時間上和空間上分別相差90176。的駐波信號，從而在彈性體的表面形成行波。 在綜合考慮以上三種接線方法后，結(jié)合實際壓電陶瓷片的粘接問題。本文選擇了第二種接線方法，（b）。在圖中區(qū)域為行波合成區(qū)，此區(qū)域利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)可以檢測到壓電陶瓷的振動情況，可將檢測到的信號作為電機控制的反饋信號。(a) (b)(c) 行波型超聲波電機的壓電陶瓷片三種接線方式 定子的設(shè)計及制作定子彈性體是超聲波電機中最重要的部件，它相當(dāng)于一個振動放大機構(gòu)，可以對壓電陶瓷所產(chǎn)生的微小振動進行放大，獲得較大的振動幅度，以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。行波超聲波電機的主要性能取決于定子的振動特性，因而定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計在整個樣機設(shè)計中是至關(guān)重要的。定子彈性體設(shè)計主要包括定子尺寸的選擇、振動模態(tài)設(shè)計、定子厚度設(shè)計、齒形齒數(shù)設(shè)計等幾個方面。 定子尺寸與行波超聲波電機輸出特性的關(guān)系超聲波電機的輸出特性是指輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。在同一直徑前提下，因所選用的壓電材料不同，彈性體材料不同，截面尺寸不同，以及加工工藝所造成的換能系數(shù)不同，電機的輸出特性而有所不同。因此，很有必要對定子的外徑與行波超聲波電機輸出特性之間的關(guān)系做一個研究。1．定子彈性體外徑與電機輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系在理想接觸條件下，根據(jù)參考文獻電機的輸出轉(zhuǎn)速為：或 (320) 定子外徑與電機輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系100908070605040302010200300100經(jīng)分析，在同一波數(shù)（）前提下，外徑與波長成正比關(guān)系，諧振頻率與波長成二次反比關(guān)系（），行波波峰值與波長成三次正比關(guān)系（）。綜合考慮上述各項因素，可得在同一波數(shù)條件下，超聲波電機的輸出轉(zhuǎn)速與電機外徑成一次反比關(guān)系，即。由圖中可知，電機的輸出轉(zhuǎn)速隨著定子外徑的增加而減少。2．定子彈性體外徑與電機輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系設(shè)電機的輸出轉(zhuǎn)矩為，定子與轉(zhuǎn)子間的摩擦力為，施加在定子與轉(zhuǎn)子間的正壓力為，滑動摩擦系數(shù)為，定子與轉(zhuǎn)子間的接觸半徑為，定子上的波峰數(shù)（波數(shù)）為，則可以得到超聲波電機輸出轉(zhuǎn)矩表達式為 (321)其中定轉(zhuǎn)子之間的正壓力。超聲波電機的輸出功率表達式為 (322) 定子外徑與電機輸出功率的關(guān)系2010090807060504030201010由于電機的轉(zhuǎn)速與直徑成一次反比，所以輸出功率主要取決于定子表面的壓力。由參考文獻給出 (323)上式中為與材料特性、電場特性有關(guān)的常數(shù)。用與上述相同的分析方法，可得出電機輸出功率與直徑成正比，輸出轉(zhuǎn)矩與二次直徑成正比，即。由圖中可知，電機的輸出功率隨著定子外徑的增加而增加。 定子的內(nèi)外徑尺寸的選擇由前面的討論可以知道定子的直徑和超聲波電機的輸出轉(zhuǎn)速、輸出扭矩、輸出功率成一定的比例關(guān)系，所以可以根據(jù)超聲波電機的輸出特性要求來選擇定子的尺寸。但是我們在實際設(shè)計過程中，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)耗大小來確定定子的內(nèi)徑。，壓電振子的自由振動能量損耗最小。考慮到實際中壓電陶瓷的加工的限制，定子的直徑一般不大于100m，也不小于10m在實際生產(chǎn)中，正如傳統(tǒng)的電機設(shè)計那樣，往往希望定子的外形尺寸是規(guī)約過的，所以定子外徑尺寸可選擇0或5結(jié)尾的尺寸規(guī)格。本文綜合考慮以上的因素選擇和設(shè)計了定子的外徑為，內(nèi)徑為。 定子的振動模態(tài)的選擇行波型超聲波電機定子振動模態(tài)的選擇要遵從以下兩個原則:一是定子驅(qū)動的對稱性，這決定了電機的振動模態(tài)必須為奇數(shù)。二是定子的振動頻率必須大于ZOHkz，使之工作在超聲頻段。因為振動模態(tài)用于模擬仿真，在這里不多做說明。只是一般在選擇上，在材料相同的情況下，大尺寸電機由于重量較大，其模態(tài)頻率偏低，因此可以選用高階模態(tài)，適當(dāng)提高電機的諧振頻率，如n取9，11等值。尺寸小的電機的模態(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)計行波型超聲波電機的輸出轉(zhuǎn)速關(guān)鍵取決于定子表面質(zhì)點的橢圓運動，該橢圓運動不僅與激勵電壓、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)。所以，需要采取措施放大橢圓運動。在定子結(jié)構(gòu)上采取何種措施，來放大該橢圓運動，特別是放大平行于定子表面質(zhì)點的水平位移，即橫向振幅，是改善超聲波電機輸出特性的一個重要措施。定子上齒槽的作用是放大定子表面振動的振幅，使轉(zhuǎn)子獲得較大的輸出能量。因此，在定子的接觸面采用齒槽結(jié)構(gòu)。根據(jù)參考文獻的經(jīng)驗公式計算下列數(shù)據(jù)：1：齒槽寬度，的確定主要與加工刀厚度具有關(guān)，齒槽太寬，齒的剛度會降低，使得齒在加工過程中發(fā)生變形，齒槽太窄造成加工困難，根據(jù)經(jīng)驗和加工刀具的厚度。在本文中，根據(jù)實際設(shè)計需要。2：齒數(shù)N的選擇與振動模態(tài)數(shù)有關(guān)，同時還要考慮加工過程中銑槽時的分度情況，最好取齒數(shù)為振動模態(tài)數(shù)的整數(shù)倍。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，這樣就會取得比較好的振動效果。齒數(shù)太多不僅會增加加工的難度，還將會降低齒的剛度。對于振動模態(tài)為3，直徑為30mm的超聲波電機，選擇齒數(shù)為36，這樣便于分度加工。齒數(shù)太多不僅會增加加工的難度，還會降低齒的剛度。3：一般情況下，我們認(rèn)為定子齒的寬度w遠小于定子行波波長兄，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: 電機的齒高h，有個最佳值，齒高太大，定子的諧振頻率降低，定轉(zhuǎn)子之間的相對滑動和磨損增大，輸出力矩降低，且容易產(chǎn)生噪聲。齒高太低，齒對橢圓運動的振動幅值放大作用降低，轉(zhuǎn)子的輸出速度會受到影響。研究證明，當(dāng)齒高滿足:根據(jù)參考文獻時，其中h定子厚度，此時，定轉(zhuǎn)子之間的相對滑動和損耗最小。 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這種電機定子在定子環(huán)內(nèi)圈有一段比較薄的支撐板，它可以達到徑向隔振的作用，而且可以便于超聲波電機的固定。由于固定板是固定在機殼上的，不會產(chǎn)生振動，定子支撐的設(shè)置又可以減少固定板的約束影響，大大減小電機徑向彎曲繞度。這種做法可以在轉(zhuǎn)子上加有較大壓力，以得到較大的輸出力矩。，h表示定子支撐中心線到定子底端距離，t表示定子支撐厚度，w表示定子支撐寬度。定子的支撐部分設(shè)計的厚度一般選擇能夠滿足定子的支撐強度即可，可以選在t=~1mm之間選擇，支撐位置在定子的中間位置。，為了裝配的需要，在定子的下面設(shè)計了一個小凸臺，上面有三個定位孔，在裝配的時候用內(nèi)六角螺栓將定子固定超聲波電機底座上。定子彈性體的加工要注意關(guān)鍵尺寸的精度。為了保證定子的對稱性其表征振動體厚度的兩個平面間的平行度應(yīng)在3μｍ以上。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候要求精度比較高，要研磨。下面需要粘貼壓電陶瓷，在加工下表面的時候也要磨削。同時，為保證整機的裝配精度，定子與底板的接觸面的平面度和粗糙度要求也比較高 定子的結(jié)構(gòu)參數(shù)對行波型超聲波電動機而言，定子的結(jié)構(gòu)是影響行波型超聲波電機性能的關(guān)鍵。設(shè)計中，本文預(yù)先設(shè)定一些結(jié)構(gòu)參數(shù)，如定子的外徑、定子的內(nèi)徑，并參考了一些其他的設(shè)計，最終本文所設(shè)計的超聲波電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表31所示。表31 行波型超聲波電機定子設(shè)計結(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)生摩擦力以推動轉(zhuǎn)子運動，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。因此在選擇定子彈性體的材料時，要首先從材料的硬度出發(fā)來考慮選擇。當(dāng)然，也不能忽視材料的彈性模量。在本文中，選用的材料是彈性模量較小的純銅（紫銅），它的硬度與彈性模量均比較符合材料的設(shè)計要求。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。根據(jù)定子諧振頻率簡易計算公式(319)，結(jié)合實際設(shè)計的定子結(jié)構(gòu)，就可以計算出定子的近似諧振頻率表32 超聲波電機定子材料屬性參數(shù)物理量紫銅壓電陶瓷PZT4密度（Kg/m3）彈性模量（N/m2）泊松比8910110E9760082E9將上面的參數(shù)，代入前面的定子的諧振頻率計算公式(319)計算其諧振頻率為f=，滿足超聲波電機的頻率要求。 轉(zhuǎn)子的設(shè)計及制作超聲波電機是將定子的振動能通過摩擦傳遞給轉(zhuǎn)子而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的，因而轉(zhuǎn)子擔(dān)負(fù)著輸出轉(zhuǎn)矩，并通過它施加定轉(zhuǎn)子間的預(yù)壓力的功能。在厘米級行波超聲波電機中，考慮到轉(zhuǎn)子的低密度、小慣量及摩擦系數(shù)等要求，本文選擇紫銅作為轉(zhuǎn)子的材料。在進行電機轉(zhuǎn)子的設(shè)計時，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。 超聲波電機轉(zhuǎn)子的柔性要求由定轉(zhuǎn)子接觸模型可知，振動的定子與轉(zhuǎn)子間的接觸變形對于將齒端的周向振動通過摩擦力轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)子的運動是非常必要的，并要求在波峰處有一定的接觸長度，如圖311所示。轉(zhuǎn)子通過柔性變形能夠減小摩擦接觸中的滑動損耗，從而優(yōu)化電動機的性能。，由垂直振動引起的接觸壓力沿周向按正弦規(guī)律變化，定子表面的周向速度也按正弦變化，為了避免與波峰的低速或者反方向的速度區(qū)域接觸，接觸長度略小于半個波長，此時往往由摩擦層的變形來實現(xiàn)定轉(zhuǎn)子的摩擦驅(qū)動。Maeno等人分析了剛性硬轉(zhuǎn)子與軟轉(zhuǎn)子接觸面對電動機性能的影響，指出了硬耐磨表面的轉(zhuǎn)子可以通過其結(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損耗而損失的效率。其單純的轉(zhuǎn)子柔性可通過在接觸區(qū)域采用柔韌的腔結(jié)構(gòu)或者帶結(jié)構(gòu)來獲得，如佳能公司的環(huán)形行波超聲波電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，也可以通過使用泡沫金屬復(fù)合物材料的轉(zhuǎn)子來獲得。轉(zhuǎn)子的柔性通常可由摩擦層的柔性和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)合成，在垂直振動下可產(chǎn)生變形，從而實現(xiàn)良好的定轉(zhuǎn)子接觸。目前大多數(shù)的電動機都同時利用轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和摩擦層的柔性。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是基于摩擦驅(qū)動機理工作的，使用壽命是超聲波電機實用化生產(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。為了能夠使行波超聲波電動機輸出很大的力矩，常需要在定轉(zhuǎn)子間施加相當(dāng)大的軸向預(yù)壓力，此預(yù)壓力的施加常通過軸向定轉(zhuǎn)子變形產(chǎn)生，這會使定轉(zhuǎn)子沿徑向彎曲，由于徑向彎曲的存在，使得定轉(zhuǎn)子的實際接觸面積大大減小，壓力分布不均勻，定子轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑接觸方向迅速磨損。 大量的磨損是由于定轉(zhuǎn)子接觸面積減小，局部接觸壓力過大引起的。而且，接觸壓力使得摩擦材料內(nèi)部循環(huán)應(yīng)力增大，造成極大的損耗和發(fā)熱。Minotti等使用ANSYS對定轉(zhuǎn)子接觸情況進行了計算，結(jié)果表明：存在徑向彎曲效應(yīng)的電動機的局部接觸壓力是接觸區(qū)域無徑向彎曲效應(yīng)情況下的10倍以上。 早期超聲波電機定、轉(zhuǎn)子接觸及磨損情況由于定轉(zhuǎn)子徑向彎曲效應(yīng)的存在，需要相應(yīng)改變定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計，以配合徑向彎曲效應(yīng)，使定轉(zhuǎn)子能夠平行接觸。定轉(zhuǎn)子的徑向彎曲配合能夠增加接觸寬度，使接觸壓力沿齒的整個徑向距離均勻分布，極大地降低了局部接觸壓力，從而顯著地減少材料磨損。另外，在保持周向接觸比和壓力不變的情況下，增加接觸寬度，能夠使加到轉(zhuǎn)子上的周向預(yù)壓力顯著增加，因而使徑向壓力分布均勻，并在不增加局部壓力和摩擦層磨損率的情況下提高行波超聲波電動機的機械性能。該轉(zhuǎn)子結(jié)能使磨損均勻分布在整個接觸區(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)系到定子的振動能能否有效地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動能的關(guān)鍵，其平面度和粗糙度對電機運行噪聲、能量轉(zhuǎn)化效率、運行平穩(wěn)性等性能影響很大。所以，轉(zhuǎn)子與定子接觸的表面要進行研磨，保證表面的平面度和粗糙度。裝配時，定轉(zhuǎn)子必須保持面接觸，使預(yù)壓力在整個面上均勻分布。. 摩擦層的設(shè)計 定轉(zhuǎn)子的彎曲配合設(shè)計圖超聲波電機的摩擦材料必須滿足：耐磨、耐高溫、摩擦系數(shù)穩(wěn)定性好等特點。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)計或定 轉(zhuǎn)子材料