超声波电机的设计【含CAD图纸全套+毕业答辩论文】.doc

湘潭大学兴湘学院目录第1章 绪论 31.1 超声波电机的定义与发展历史 31.2 超声波电机的基本工作原理 51.3 超声波电机的分类 61.4 超声波电机的特点和应用 61.5 超声波电机技术的展望 7第2章超声波电机的运动机理 82.1 椭圆运动的分析 82.2 驻波的产生及行波的合成 10第3章 超声波电机的理论计算与设计 133.1 定子谐振频率的计算 133.2 压电陶瓷换能器的设计和制作 163.2.1 压电陶瓷的设计 163.2.2 压电陶瓷材料的选用 173.2.3 压电陶瓷的接线方式 173.3 定子的设计及制作 193.3.1 定子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系 193.3.2 定子的内外径尺寸的选择 213.3.3 定子的振动模态的选择 213.3.4 定子的齿形齿数设计 213.3.5 定子的结构设计 223.3.7定子材料的选择 233.4 转子的设计及制作 243.4.1 超声波电机转子的柔性要求 243.4.2 定转子径向弯曲配合 253.4. 摩擦层的设计 263.5 定转子设计的总结 26第4章 超声波电机的驱动控制技术 27第5章 超声波电机整体结构设计 30第6章 全文总结 32参考文献 33致谢 34附录 英文翻译译文 35 1超声波电机的设计摘要：超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的新概念、新原理电机。

与传统电磁型电机截然不同，其驱动力矩并非由电磁感应产生，它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动，通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子由于超声波电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如结构紧凑、低速大转矩、响应速度快、不受磁场影响、断电自锁、可直接驱动负载等正是由于超声波电机具有许多的优点和广阔的应用前景，成为当前世界范围内的一门新兴前沿课题本文主要以超声波电机为研究对象，设计超声波电机的实验样机研究的主要内容可概括如下：系统地总结国内外超声波电机的发展历史和重要意义，介绍了超声波电机的工作原理、分类、特点及其应用前景在对超声波电机相关理论研究的基础上，从超声波电机定子设计着手，详细介绍了超声波电机的设计过程关键词：超声波电机 压电陶瓷 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 compact 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, become the world'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 第1章 绪论本章主要介绍超声波电机定义与发展历史、基本工作原理、分类、特点及其应用及对超声波电机技术的应用展望。

1.1 超声波电机的定义与发展历史超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是一种新型的直接驱动型微电机，其原理完全不同于传统的电机，没有绕组与磁路，不以电磁作用传递能量，因而有很多不同于传统电机的特性超声波电机一种利用超声波振动能作为驱动源的新原理电机，是电机制造、机械振动学、摩擦学、功能材料、电子技术和自动控制等学科综合交叉发展的产物，是利用压电材料的逆压电效应,把电信号加到压电陶瓷-金属构成的定子上,使定子表面的质点产生一定轨迹的机械振动,驱动转子运动的新型电机由于定子的振动频率多数处在超声频范围,所以被称为超声波电动机超声波电机具有能量密度大、响应快、结构紧凑、低转速、大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点 在微型机械、机器人、精密仪器、家用电器、航空航天、汽车等方面有着广泛的应用前景USM是20世纪80年代随着科学技术的发展才备受重视并得到应用的一种新型直接驱动电机，其发展史却可追溯到20世纪40年代20世纪40年代，人们就知道了超声波电机的这个驱动原理，然而由于当时压电陶瓷材料以及超声波电机理论技术的滞后，超声波电机只能是“空中楼阁”，没有得以实现一直到80年代初，具有高转换效率的压电材料出现以后，再加上电力电子控制技术的发展，才逐步研制出各种各样的超声波电机。

超声波电机的发展历史过程总结如下：图1.1 H.V.Barth 的超声波电机利用弹性振动获得动力的尝试是从钟表开始的1961年，英国的Bulova Watch Ltd钟表 公司首次提出了用弹性体振动能量作为驱动力 的理论，并研制成音叉驱动的手表，在国际上引起了轰动1973年， IBM公司的H.V.Barth博士首先研制成功原理性超声波电机，如图1.1所示该电机由一个转子和两个驱动振子构成，两个振子由PZT提供振动，其前部压置在转子上，保持摩擦接触当振子(1)激振时转子顺时针方向回转，当振子(2)激振时，转子逆时针方向回转与此同时，原苏联的V.V.Lavrinenco等人也研制出几乎与Barth具有相同原理的几种超声波电机，并给出了超声波电机结构简单、成本低、低速大转矩、单位质量功率大、运动精确、能量转换效率高等一些基本特性1978年，前苏联的Vasiliev等成功地构造了一种能够驱动较大负载的超声波电机，如图1.2所示图1.2 前苏联的Vasiliev构造的超声波电机这种电机使用两个金属块夹持压电元件结构的超声换能器，利用振动片的纵向振动及诱发的弯曲振动，通过摩擦来使转子转动。

结构上不仅能够降低了共振频率，而且放大振幅但由于在运转条件下，电机的磨损和发热严重，很难保持振动片的恒幅振动，故也未获得实际应用使超声波电动机真正走上实用的是日本的指田年生，在1980年成功制造了一种振动片型超声波电动机所用振子是用螺栓压紧的郎之万（Langevin）振子，一种能工作在超声领域的切割式振子振子的前端面作纵向振动，其上安装楔形的振动片，振动片前端跟圆板状的转子接触，前端的运动轨迹是一个变形了的椭圆这种超声波电动机具有高速性，无负荷速度是2000rpm；高效率，最大效率达60%；寿命短，因为振动片和转子之间近乎直角的接触，两者之间接触和脱离瞬间的滑动无法解决，因此产生的磨损使寿命较短为了解决这个问题，日本的指田年生在1980年发明了一种振动片型超声波电动机，该电机的原理利用行波在有限弹性体内传播时表面质点产生的椭圆运动，行波型超声波电动机只需改变驱动相位差即可实现正反转，而且定子、转子之间是多点轮流接触，磨擦很小行波型超声波电动机具有良好的应用前景，引起了众多大公司和大学的兴趣，争先对超声波电动机进行研究和开发，从而使超声波电动机进入大规模的实验研究和实用化开发阶段1987年，佳能公司将其开发的圆环型行波超声波电机正式应用于EOS相机自动调焦系统，实现了超声波电机的商业应用[3]。

日本在超声波电机的研究方面一直处于世界领先地位它掌握着世界上大多数超声波电机技术的发明专利在日本，几乎各知名大学和许多公司都对超声电机进行了研究和生产环状行波型和棒状行波型电机已大批量生产，最近一种驻波型电机也已投入批量生产，主要用于工作时间短、精度高及某种特定功能的机器或领域中日本公司将超声波电机应用于自动门、风扇、微动台、控制台、家电产品中，进一步开辟并扩大其应用市场[4]20世纪末和新世纪初，中国、美国、德国、法国、英国和其他一些发达国家都开始了对超声电机的研究最近几年来，除了日本之外，美国、德国、法国、中国、瑞士、韩国、土耳其和新加坡等都有超声波电机产品进入市场，在这些国家中，以美国发展得最快，应用的领域也最广[5]经过十年的发展，美国许多单位都在进行超声波电机的研究，如麻省理工学院(MIT)、美国航空航天局(NASA)、喷射推进实验室(JPL) ,Stanford, Berkeley, Wisconsin, Penn. State和 DARPA(Defense Advanced Research ProjectAgency)等[6]美国某些公司生产的超声波电机产品已经在航空航天、半导体工业、MEMS、和Bio MEMS等领域先后得到了应用。

美国为了发展空间的反导弹、反卫星及情报侦察系统，近几年将要发射100个以上的纳米卫星(质量7-8kg)这种纳米卫星的核心技术之一是微机械和微传感系统，包括微传感/遥感器、微陀螺和微驱动器为此，美国正加速发展微型超声电。