【正文】 超聲波電機是所有類型中結(jié)構(gòu)較簡單，用途最廣泛的一種，也是最有發(fā)展前途的一種。駐波型超聲波電機的特點是變換效率高，但旋轉(zhuǎn)的方向一定，結(jié)構(gòu)尺寸大。表11 超聲波電機的分類情況按驅(qū)動方式分按定轉(zhuǎn)子力傳遞接觸方式分按運動方式分按自由度分超聲波電機行波型單一模態(tài)型接觸連續(xù)的局部面接觸直線運動單自由度復合模態(tài)型連續(xù)的點（線）接觸模態(tài)轉(zhuǎn)換型斷續(xù)的整個面接觸駐波型單一模態(tài)型斷續(xù)的點（線）接觸旋轉(zhuǎn)運動多自由度復合模態(tài)型非接觸空氣單一模態(tài)型液體 超聲波電機的特點和應用超聲波電機是近二十年來發(fā)展起來的一種新型電機。與電磁式電機相比，超聲波電機具有如下的幾個突出的優(yōu)點：低速大轉(zhuǎn)矩；體積小、重量輕；反應速度快、控制特性好；無電磁感應影響；停止時具有保持力矩；運行無噪音；形式靈活，設計自由度大；可在很低的電壓下工作；適應環(huán)境能力強。它有著很好的應用前景。從目前的研究情況來看，超聲波電機產(chǎn)品可用于照相機的自動聚焦系統(tǒng)的驅(qū)動器；航空航天領域自動駕駛儀伺服驅(qū)動器；機器人或微型機械自動控制系統(tǒng)的驅(qū)動器；高級轎車門窗和座椅靠頭調(diào)節(jié)的驅(qū)動裝置；窗簾或百葉窗自動升降裝置；CD光盤唱頭驅(qū)動裝置；精密儀器儀表、精確定位裝置；醫(yī)學領域，如人造心臟的驅(qū)動器、人工關節(jié)驅(qū)動器；強磁場環(huán)境條件下設備的驅(qū)動裝置，如未來的磁浮火車；不希望驅(qū)動裝置產(chǎn)生磁場的場合，如磁通門的自動測試轉(zhuǎn)臺等。 超聲波電機技術(shù)的展望超聲波電機在國際上得到越來越多的應用?？梢灶A計：在21世紀，為了發(fā)展我國人造衛(wèi)星、導彈、火箭、飛機、機器人、微型機械、汽車、磁浮列車以及其他精密儀器，將需要大量的、高性能的超聲波電機。超聲波電機作為一種新型驅(qū)動器，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。第2章 行波型超聲波電機的運行機理我們知道，行波型超聲波電機是借助于行波的周向傳播來驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的。利用這個基本原理，人們制造出了各式各樣的行波型超聲波電機，如Panasonic公司的盤形行波型超聲波電機；Canon公司的環(huán)形行波型超聲波電機。 橢圓運動的分析 定子表面質(zhì)點的運動分析圖 行波型超聲波電機的工作原理圖行波型超聲波電機定子上的壓電陶瓷在二相交變電壓作用下，在彈性體內(nèi)形成兩個時空相差為90176。根據(jù)參考文獻將圓環(huán)展開成直梁。當彎曲角為時，從到的厚度方向的橫向位移為 (22)因為彎曲振動的振幅遠比彎曲振動的波長小，彎曲角也很小，所以橫向位移可近似表示為 (23)同樣，當彎曲角為時，從到的縱向位移為 (24)因為彎曲角可用下式表述 (25)故縱向位移近似于 (26)因此，橫向位移與縱向位移間關系式為 (27)可見，上式為二次曲線橢圓軌跡方程。進一步分析可知它沿橢圓軌跡的逆時針方向運動，橢圓的短軸和長軸之比為。當轉(zhuǎn)子與定子在行波波峰處相接觸，即，若轉(zhuǎn)子與定子間無滑動，轉(zhuǎn)子就獲得定子表面質(zhì)點波峰處的縱向速度。通過對上述彎曲行波上質(zhì)點的橢圓運動的分析，可以得到這樣的結(jié)論：彎曲行波使彈性體上的質(zhì)點有一個橫向振動分量，即在行波中存在著橫向振動波，且與行波的相角差為90o，才形成了質(zhì)點的橢圓運動軌跡。在以后的分析中，將會提出解決這個問題的方法。旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機就是利用兩組這樣的壓電陶瓷片在彈性體內(nèi)產(chǎn)生兩個駐波，這兩駐波疊加形成一彎曲行波。類似的，在B區(qū)域上加正弦電壓，得到另一駐波方程。利用線性波的疊加原理，將兩駐波合成為一個沿定子圓環(huán)周向運動的行波，其方程為 (212)如果，那么 (213)如上所述，在兩交變電壓作用下，形成了兩個在時間上相差相角，空間上相差四分之一波長的彎曲振動的駐波，進而合成了一個沿定子圓環(huán)周向旋轉(zhuǎn)的彎曲振動行波，行波使定子與轉(zhuǎn)子相接觸的表面質(zhì)點沿橢圓軌跡運動，而定子與轉(zhuǎn)子接觸處的摩擦力就推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由以上的分析可以得出行波型超聲波電機的基本特征是：定子與轉(zhuǎn)子相接觸表面質(zhì)點的橢圓運動，是由定子彈性體的行波振動形成的。電機工作時，定子與轉(zhuǎn)子始終保持接觸，不分離。電機結(jié)構(gòu)尺寸小，旋轉(zhuǎn)方向可以改變，速度和位置容易控制。超聲波電機的關鍵部件是定子，定子的諧振頻率與驅(qū)動電源是否相匹配是電機能否正常運轉(zhuǎn)的關鍵。設計中，以提高電機的性能為優(yōu)化的目標，我們還預先設定一些結(jié)構(gòu)參數(shù)，而將定子彈性體厚度及壓電陶瓷的厚度作為設計變量。正因為如此，在分析行波超聲波電機的定子振動的諧振頻率前，先作如下假設：，且振動是微幅的，系統(tǒng)為線性的。認為其振動近似為正弦波。首先，把有齒槽的彈性體梁等效為彈性體等直梁，等效的原則是按等效前后的動能和勢能分別相等，且等效前后梁的高度不變；然后再將壓電陶瓷片和彈性體組合而成的定子等效為復合梁。圖(b)為等效前的彈性體梁，圖(c)為等效前的復合梁。等效成無齒槽的彈性梁，則截面積，此時慣性力在整個定子梁上所作的虛功為 (36)可以認為等效前、后慣性力所作的虛功相等，由式（34）和（36）可得等效密度為 (37)由于定子環(huán)彎曲振動時對齒的變形影響很小，因此振動時齒的應變能可以忽略不計，此時截面慣性矩根據(jù)參考文獻可表示為 (38)彈性梁由于彎曲產(chǎn)生的應變能為 (39)其中——等效前的彈性體彈性模量——等效彈性模量系數(shù)，同理可得等效彈性模量為 (310)這時，有齒槽的彈性梁已經(jīng)等效為高度為的彈性等直梁了。首先要確定中性層和中性軸的位置。由此可以確定中性層及中性軸的位置。中性層的位置一旦確定，復合梁的彈性模量和截面慣性矩亦可確定 (315) (316)其中根據(jù)參考文獻復合梁的平均密度和截面積為 (317) (318)由此根據(jù)參考文獻可得復合梁的固有頻率計算公式為 (319)由式(319)就可以求出定子的諧振頻率。 壓電陶瓷換能器的設計和制作 壓電陶瓷的設計 壓電體的分極結(jié)構(gòu)由前面對行波型超聲波電機運行機理的分析可知，兩列在時間上相差90186。級結(jié)構(gòu)。當激勵電源的頻率等于定子的固有頻率時，定子（振動體）產(chǎn)生共振，兩區(qū)間壓電陶瓷所激發(fā)的波相疊加，在電機定子中產(chǎn)生沿圓周方向的合成彎曲行波，推動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動方向與行波的傳播方向相反。激勵電源可以為正弦波或方波。另外，A、B兩相區(qū)在空間對稱排列，而且每相產(chǎn)生的駐波都在圓環(huán)內(nèi)形成相同的整數(shù)個波，即稱為波數(shù)，波數(shù)n=9。如果太薄，則在高頻諧振條件下，由于形變過大而容易發(fā)生斷裂，而且加大加工難度，在樣機研制中不易實現(xiàn)。 壓電陶瓷材料的選用壓電陶瓷作為超聲波電機能量轉(zhuǎn)換的媒介，它起著為超聲波電機提供驅(qū)動力的重要作用，質(zhì)量的好壞直接影響電機的性能。機電能量轉(zhuǎn)換效率高、壓電常數(shù)大。性能穩(wěn)定。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)。可見，它的性能比較符合上面所提出的要求。在兩片壓電陶瓷上施加相位差90176。（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。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。的駐波信號，從而在彈性體的表面形成行波。本文選擇了第二種接線方法，（b）。(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)。定子彈性體設計主要包括定子尺寸的選擇、振動模態(tài)設計、定子厚度設計、齒形齒數(shù)設計等幾個方面。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。1．定子彈性體外徑與電機輸出轉(zhuǎn)速的關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)速的關系100908070605040302010200300100經(jīng)分析，在同一波數(shù)（）前提下，外徑與波長成正比關系，諧振頻率與波長成二次反比關系（），行波波峰值與波長成三次正比關系（）。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。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。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。 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。壓電振子的自由振動能量損耗最小。本文綜合考慮以上的因素選擇和設計了定子的外徑為，內(nèi)徑為。二是定子的振動頻率必須大于ZOHkz，使之工作在超聲頻段。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)，適當提高電機的諧振頻率，如n取9，11等值。所以，需要采取措施放大橢圓運動。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。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，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。2：齒數(shù)N的選擇與振動模態(tài)數(shù)有關，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。齒數(shù)太多不僅會增加加工的難度，還將會降低齒的剛度。齒數(shù)太多不僅會增加加工的難度，還會降低齒的剛度。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。 定子的結(jié)構(gòu)設計。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。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。，為了裝配的需要，在定子的下面設計了一個小凸臺，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。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在3μｍ以上。下面需要粘貼壓電陶瓷，在加工下表面的時候也要磨削。設計中，本文預先設定一些結(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計，最終本文所設計的超聲波電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表31所示。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。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計要求。根據(jù)定子諧振頻率簡易計算公式(319)，結(jié)合實際設計的定子結(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。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。 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。，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。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合物材料的轉(zhuǎn)子來獲得。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。為了能夠使行波超聲波電動機輸出很大的力矩，常需要