【正文】 (28)式中負(fù)號(hào)表示定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向與行波傳播方向相反。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。設(shè)彈性體的厚度為h，行波波長(zhǎng)為，L為定子周長(zhǎng)，n為定子環(huán)上駐波的波數(shù)，彎曲振動(dòng)的橫向位移振幅為，角頻率為ω，那么在彈性體內(nèi)中性層的行波方程為 (21)若把彈性體表面上任一點(diǎn)設(shè)為，未彎曲時(shí)的位置設(shè)為。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)。行波超聲波電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子及驅(qū)動(dòng)與控制裝置組成。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)正經(jīng)歷一個(gè)從研究開發(fā)向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)折時(shí)期，相信經(jīng)過(guò)工程化、商品化研制，超聲波電機(jī)將會(huì)使整個(gè)機(jī)械、電子工業(yè)和人類生活產(chǎn)生一次巨大的變革。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。專家預(yù)言：21世紀(jì)將是超聲波電機(jī)大放光芒的時(shí)代，它將有可能部分取代微、小型的傳統(tǒng)電磁電機(jī)而得到更廣泛的應(yīng)用?？梢灶A(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。其應(yīng)用領(lǐng)域涉及到航空航天、汽車制造、生物工程、機(jī)器人、儀器儀表、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。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。它突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，沒有電磁繞組和磁路，不用電磁相互作用來(lái)轉(zhuǎn)換能量，而是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換能量。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。最常見的有駐波型超聲波電機(jī)和行波型超聲波電機(jī)。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)。另外還可以根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子的接觸形式分為接觸式與非接觸式。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）。一般按照使用的波動(dòng)方式的不同分為駐波型和行波型兩種。 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)。這就是超聲波電機(jī)的基本工作原理。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)。然后，將這種振動(dòng)通過(guò)彈性體和移動(dòng)體之間的摩擦力變換成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)，或者直接用壓電振子產(chǎn)生彎曲振動(dòng)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)體轉(zhuǎn)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。行波型超聲波電動(dòng)機(jī)具有良好的應(yīng)用前景，引起了眾多大公司和大學(xué)的興趣，爭(zhēng)先對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)行研究和開發(fā)，從而使超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)入大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)用化開發(fā)階段。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。所用振子是用螺栓壓緊的郎之萬(wàn)（Langevin）振子，一種能工作在超聲領(lǐng)域的切割式振子。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。 前蘇聯(lián)的Vasiliev構(gòu)造的超聲波電機(jī)這種電機(jī)使用兩個(gè)金屬塊夾持壓電元件結(jié)構(gòu)的超聲換能器，利用振動(dòng)片的縱向振動(dòng)及誘發(fā)的彎曲振動(dòng)，通過(guò)摩擦來(lái)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。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。該電機(jī)由一個(gè)轉(zhuǎn)子和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)振子構(gòu)成，當(dāng)振子(1)激振時(shí)轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，當(dāng)振子(2)激振時(shí)，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)。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)。一直到80年代初，具有高轉(zhuǎn)換效率的壓電材料出現(xiàn)以后，再加上電力電子控制技術(shù)的發(fā)展，才逐步研制出各種各樣的超聲波電機(jī)。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。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，如低速大轉(zhuǎn)矩、體積小、重量輕、功率密度大、響應(yīng)速度快、微位移、不受電磁場(chǎng)的影響、掉電自保護(hù)、設(shè)計(jì)自由度大、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等。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。為此，世界各國(guó)都在努力研究各種新型電機(jī)。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。s a new frontier subject. In this paper, a rotary traveling wave type ultrasonic motor for the study, designed the experimental prototype ultrasonic motor. The main content can be summarized as follows: The system sums up the history of the development of ultrasonic motor home and abroad and the importance of introducing the principle of ultrasonic motors, classification, characteristics and application prospects. In the theory of ultrasonic motors based on ultrasonic stator design from the start, ultrasonic motor described in detail the design and production process. Key words: Ultrasonic Motor Piezoelectric ceramics Traveling Wave第1章 緒論本章主要介紹超聲波電機(jī)的概念、分類、特點(diǎn)及其應(yīng)用，總結(jié)了其發(fā)展歷史和應(yīng)用展望。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。本文主要以旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)制作超聲波電機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。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。需要完整說(shuō)明書、圖紙或要天驕代做請(qǐng)加叩叩2215891151目錄第1章 緒論 3 超聲波電機(jī)的定義與發(fā)展歷史 3 超聲波電機(jī)的基本工作原理 4 超聲波電機(jī)的分類 5 超聲波電機(jī)的特點(diǎn)和應(yīng)用 6 超聲波電機(jī)技術(shù)的展望 6第2章 行波型超聲波電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理 8 橢圓運(yùn)動(dòng)的分析 8 駐波的產(chǎn)生及行波的合成 10第3章 行波型超聲波電機(jī)的理論計(jì)算與設(shè)計(jì) 13 定子諧振頻率的計(jì)算 13 壓電陶瓷換能器的設(shè)計(jì)和制作 16 壓電陶瓷的設(shè)計(jì) 16 壓電陶瓷材料的選用 17 壓電陶瓷的接線方式 17 定子的設(shè)計(jì)及制作 19 定子尺寸與行波超聲波電機(jī)輸出特性的關(guān)系 19 定子的內(nèi)外徑尺寸的選擇 21 定子的振動(dòng)模態(tài)的選擇 21 定子的齒形齒數(shù)設(shè)計(jì) 21 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22 23 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)及制作 24 超聲波電機(jī)轉(zhuǎn)子的柔性要求 24 定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合 25. 摩擦層的設(shè)計(jì) 26 定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的總結(jié) 26第4章 樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 27第5章 全文總結(jié) 29參考文獻(xiàn) 30致謝 31附錄 32英文翻譯譯文 32行波型超聲波電機(jī)設(shè)計(jì)摘要：超聲波電機(jī)是一種利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)工作的新概念、新原理電機(jī)。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。正是由于超聲波電機(jī)具有許多的優(yōu)點(diǎn)和廣闊的應(yīng)用前景，成為當(dāng)前世界范圍內(nèi)的一門新興前沿課題。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。關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī) 壓電陶瓷 行波 Design of Traveling Wave Ultrasonic MotorAbstract：Ultrasonic motor is a use of the inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic work of new concepts, new principles of motors. Very different from the traditional electromagnetic motor, the driving torque is not generated by the electromagnetic induction, which uses the piezoelectric effect to generate ultrasonic vibration of stator, through the friction between the stator and rotor to drive the rotor. Since the working principle of ultrasonic motors special, it has a lot of traditional electromagnetic motors can not match the superior performance, such as pact structure, low speed high torque, fast response, free from magnetic influence, power locking, can directly drive the load and so on. It is because of ultrasonic motor has many advantages and potential applications, bee the world39。 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。由于它的工作原理和結(jié)構(gòu)的限制，難以滿足當(dāng)前對(duì)電機(jī)所提出的短、小、薄、低噪聲、無(wú)電磁干擾等要求。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。它將電能通過(guò)壓電陶瓷轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng)能，然后又借助摩擦力將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？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。50多年前，人們就知道了超聲波電機(jī)的這個(gè)驅(qū)動(dòng)原理，然而由于當(dāng)時(shí)材料與技術(shù)的局限，超聲波電機(jī)只能是“空中樓閣”，沒有得以實(shí)現(xiàn)。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。1973年。與此同時(shí)。1978年，前蘇聯(lián)的Vasiliev等成功地構(gòu)造了一種能夠驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的超聲波電機(jī)。結(jié)構(gòu)上不僅能夠降低了共振頻率，而且放大振幅。使超聲波電動(dòng)機(jī)真正走上實(shí)用的是日本的指田年生，在1980年成功制造了一種振動(dòng)片型超聲波電動(dòng)機(jī)。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。為了解決這個(gè)問題，指田年生在1982年發(fā)明了行波型超聲波電動(dòng)機(jī)，該電機(jī)的原理利用行波在有限彈性體內(nèi)傳播時(shí)表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的橢圓運(yùn)動(dòng)，行波型超聲波電動(dòng)機(jī)只需改變驅(qū)動(dòng)相位差即可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，而且定子、轉(zhuǎn)子之間是多點(diǎn)輪流接觸，磨擦很小。 超聲波電機(jī)的基本工作原理。在壓電陶瓷上加頻率為幾十千赫的高頻交流電源，利用逆壓電效應(yīng)即電致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生幾十千赫的超聲波振動(dòng)。 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。這種振動(dòng)借助定子和轉(zhuǎn)子間的摩擦耦合來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。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)械能。由于壓電陶瓷的極化形式多樣，彈性體的振動(dòng)模式也具有多樣性，可采用不同的振動(dòng)模態(tài)來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，因而可以研制出多種不同結(jié)構(gòu)的超聲波電機(jī)，如環(huán)型或盤型、直線型、球型、彎扭耦合型、縱扭復(fù)合型、非接觸型及自校正型等等。根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)的形式不同又可以分為旋轉(zhuǎn)型和直線型。而根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)自由度的個(gè)數(shù)不同可分為單自由度與多自由度。以上從不同的角度對(duì)超聲波電機(jī)做了整理和分類，具體分類情況可見表11。但是，從目前的搜集到的各國(guó)研究資料可以發(fā)現(xiàn)，回旋型