【正文】 的同軸度和垂直度要求。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。下面需要對(duì)超聲波電機(jī)輸出軸進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。定子和轉(zhuǎn)子之間需要有加壓裝置，主要通過蝶簧來施加，并保證定子與轉(zhuǎn)子在接觸面上，預(yù)壓力能均勻分布。第4章 樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)底座 壓電陶瓷片 定子 壓蓋 轉(zhuǎn)子 上軸套 碟簧軸承 開槽螺釘下軸套 1調(diào)整墊圈 超聲波電機(jī)的的二維結(jié)構(gòu)圖應(yīng)用本文有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)。因?yàn)楸救嗽诖舜握撐闹?，未涉及軟件仿真，故未進(jìn)行有效地驗(yàn)算，不過，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。 定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的總結(jié)對(duì)于超聲波電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的校核，不像我們平時(shí)學(xué)習(xí)的電機(jī)，有確切的驗(yàn)算數(shù)學(xué)公式。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)脑挘瑒t可能發(fā)生磨損率高，電機(jī)不穩(wěn)定等特點(diǎn)。裝配時(shí)，定轉(zhuǎn)子必須保持面接觸，使預(yù)壓力在整個(gè)面上均勻分布。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。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(gè)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。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)域無徑向彎曲效應(yīng)情況下的10倍以上。 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。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。轉(zhuǎn)子的柔性通?？捎赡Σ翆拥娜嵝院娃D(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)合成，在垂直振動(dòng)下可產(chǎn)生變形，從而實(shí)現(xiàn)良好的定轉(zhuǎn)子接觸。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。轉(zhuǎn)子通過柔性變形能夠減小摩擦接觸中的滑動(dòng)損耗，從而優(yōu)化電動(dòng)機(jī)的性能。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。 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及制作超聲波電機(jī)是將定子的振動(dòng)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。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。當(dāng)然，也不能忽視材料的彈性模量。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。同時(shí)，為保證整機(jī)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(duì)行波型超聲波電動(dòng)機(jī)而言，定子的結(jié)構(gòu)是影響行波型超聲波電機(jī)性能的關(guān)鍵。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。定子彈性體的加工要注意關(guān)鍵尺寸的精度。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。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。研究證明，當(dāng)齒高滿足:根據(jù)參考文獻(xiàn)時(shí)，其中h定子厚度，此時(shí)，定轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)滑動(dòng)和損耗最小。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。對(duì)于振動(dòng)模態(tài)為3，直徑為30mm的超聲波電機(jī)，選擇齒數(shù)為36，這樣便于分度加工。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。在本文中，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要。因此，在定子的接觸面采用齒槽結(jié)構(gòu)。在定子結(jié)構(gòu)上采取何種措施，來放大該橢圓運(yùn)動(dòng)，特別是放大平行于定子表面質(zhì)點(diǎn)的水平位移，即橫向振幅，是改善超聲波電機(jī)輸出特性的一個(gè)重要措施。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)。因?yàn)檎駝?dòng)模態(tài)用于模擬仿真，在這里不多做說明。 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)?？紤]到實(shí)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(shí)際生產(chǎn)中，正如傳統(tǒng)的電機(jī)設(shè)計(jì)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。但是我們?cè)趯?shí)際設(shè)計(jì)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。由圖中可知，電機(jī)的輸出功率隨著定子外徑的增加而增加。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)。2．定子彈性體外徑與電機(jī)輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系設(shè)電機(jī)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(dòng)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(jī)輸出轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為 (321)其中定轉(zhuǎn)子之間的正壓力。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。因此，很有必要對(duì)定子的外徑與行波超聲波電機(jī)輸出特性之間的關(guān)系做一個(gè)研究。 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。行波超聲波電機(jī)的主要性能取決于定子的振動(dòng)特性，因而定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在整個(gè)樣機(jī)設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。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)。 在綜合考慮以上三種接線方法后，結(jié)合實(shí)際壓電陶瓷片的粘接問題。 （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。在兩部分分別施加時(shí)間上相差90176。的交流電壓，這樣兩個(gè)駐波合成為行波。 壓電陶瓷的接線方式按照行波產(chǎn)生的機(jī)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(gè)壓電陶瓷的電極在空間上相互錯(cuò)開。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。居里溫度高。動(dòng)態(tài)抗張強(qiáng)度大。因此，壓電陶瓷片材料必須滿足： 介電損耗小，一般小于1%。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，~。 對(duì)于壓電陶瓷片的厚度，它決定了在一定電壓下是否能夠起振，根據(jù)參考文獻(xiàn)如果壓電陶瓷片太厚，則在通常電壓情況下，不易起振。，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。倘若改變所施加激勵(lì)電源電壓的符號(hào)，可以使轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，十分方便?！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），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）?？臻g上相差1/4波長的駐波可合成行波。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)。設(shè)復(fù)合梁上表面距中性軸的距離為h，在梁截面上只有彎矩而沒有軸力，因此有 (311)其中根據(jù)參考文獻(xiàn) (312) (313)、——彈性體等效梁和壓電陶瓷片的正應(yīng)力、——彈性體等效梁和壓電陶瓷片的應(yīng)變——壓電陶瓷片的楊氏模量——中性層彎曲后的曲率——截面任一點(diǎn)的軸向座標(biāo)將式（312）、（313）代入式（311），可得 (314)其中，為壓電陶瓷片的寬度。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。進(jìn)一步按圖31中的圖(c)，把定子環(huán)等效為復(fù)合梁。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)。其中，圖(a)為梁的結(jié)構(gòu)，為槽的寬度，為齒的寬度，為齒的高度，為未開槽的彈性體的高度，為整個(gè)彈性體的厚度，為壓電陶瓷片的厚度，為彈性梁的寬度。 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。忽略定子環(huán)的曲率效應(yīng)。 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。本章從定子的諧振頻率的計(jì)算出發(fā)，詳細(xì)介紹了超聲波電機(jī)的設(shè)計(jì)過程，同時(shí)分析了電機(jī)的加工工藝，設(shè)計(jì)了直徑30mm的樣機(jī)圖。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。定子與轉(zhuǎn)子的接觸位置沿接觸面連續(xù)變化。一旦定子制作完畢，工作時(shí)該橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡的長軸和短軸一般不能獨(dú)立地調(diào)整。同理，如欲使電機(jī)轉(zhuǎn)子朝相反方向旋轉(zhuǎn)，則應(yīng)當(dāng)在A區(qū)域壓電陶瓷上施加余弦電壓，在B區(qū)域上加正弦電壓，電壓形成的駐波方程為 (214)這樣，兩駐波合成的行波方程為 (215)表達(dá)式（215）所表示方程為沿x軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)的行波，這也就意味著此時(shí)電機(jī)將朝反方向旋轉(zhuǎn)。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，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。如果在A區(qū)域壓電陶瓷上加余弦交變電壓，交變電場(chǎng)可使壓電陶瓷按不同的極化方向產(chǎn)生交替的伸、縮變形，結(jié)果在彈性體內(nèi)形成駐波，其駐波方程為 （210） 式中，是駐波的振幅，是定子環(huán)等效梁的長度，為定子環(huán)上一周的駐波數(shù)，是交變電壓的角頻率，是交變電壓的初相角，為A相激勵(lì)電壓與彈性體響應(yīng)間的相位差，與定子阻尼有關(guān)，而則是交變電壓的頻率。(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。但這個(gè)橫向振動(dòng)波的振幅較小，這對(duì)于橢圓運(yùn)動(dòng)的合成不利，會(huì)直接影響這種行波電機(jī)的輸出特性，所以提高橫向振動(dòng)振幅是很關(guān)鍵的問題。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。定子表面質(zhì)點(diǎn)的縱向速度為