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（答辩稿）旋转行波超声电机结构设计（CAD图纸+DOC论文）

旋转行波超声电机结构设计摘要弹性等截面直梁，显然圆柱面和矩形面的几何对应关系为.将上式代入.后，可得.为了方便书写，引入记号.式中，为定子在半径为的圆周上的行波的波长。这样就得到了定子所对应的等截面弹性直梁的弯曲行波运动方程.直梁的波动状态如图.所示。下面考察弹性梁表面上的任意个质点。到定子中性层的距离为。在梁未发生弯曲变形前，该质点处于位置。在直梁产生图.弹性梁表面质点的椭圆运动分析行波弯曲振动后的第时刻，质点因其所处的横截面偏转而从位置运动到。利用图示几何关系，可求得质点在轴方向横向的位移量为.由于行波的波幅远小于行波波长，所以梁的截面的偏转角非常小，故可认为，这样有.可以看出，质点在轴方向上的位移为.同样，利用图.中的几何关系，可得到梁的弯曲而造成的截面偏角为.式.代入.后，可得到质点的纵向位移.结合考虑.和.，可推得弹性直梁表面质点的运动轨迹为.根据.，将上述运动方程映射到圆周面内，得到定子环表面质点的运动方程为.由.可知，此式符合椭圆的标准方程，因此定子端面上任意点都作椭圆轨迹运动。由于产生了椭圆运动。因此，在预压力的作用下，定子表面各质点会对转子产生摩擦驱动力而推动转子转动，而且转子的转动方向将与行波传播的方向相反，这就是行波超声电机的运动传递机理。从定子表面质点的运动方程可以看出当利用压电陶瓷的逆压电效应在弹性体上激励出了时间上空间上各相差的两个同频率等幅值的驻波时，经过线性叠加后，形成了行波，使得定子表面质点产生椭圆运动，其椭圆轨迹的长短轴之比为或者。.本章小结本章主要对超声电机的工作原理和结构进行分析，分析了压电陶瓷，定子，转子之间的关系和作用。同时对定子内行波产生的过程及条件进行了分析。并且分析了定子表面质点的运动轨迹，得到定子表面质点的轨迹方程，为后面的设计做好铺垫。保证后续的设计能够更加合理。定子模态分析计算.导言目前的超声电机定子上大多都加工了驱动齿。长期的试验证明，驱动齿可以提高定子的表面振幅和运动速度，使超声电机的工作效率大大提高。因为驱动齿的缘故，使用解析法求解工作模态和固有频率难度较大，使用传统方法简化求解后，结果与实际误差较大。因此可采用有限元分析法进行有限元分析。可采用有限元分析软件对定子进行固有频率模拟，再与理论计算值作对比，验证固有频率设计的合理性。这些分析结果将为后续的设计做铺垫，使设计出的电机更加科学合理。.固有频率的理论计算共振频率计算图为超声电机定子结构三维图。其中，驱动齿在计算过程中暂时忽略，简化为无齿定子，如图.所示图.定子三维结构图图.定子简化图假设方向的挠曲位移为，应用次函数及其系数，根据式，可表示为.其中振动常数为，满足.其中，为材料的杨氏模量为柏松比为单位长度的平均质量，即，为材料的密度为横截面的二次惯性矩，即，为截面宽度为压电振子的厚度，即。在式.和式.中，为与内径和外径等变量相关的系数，由边界条件确定。对于不同的，存在分别对应于半径方向不同节圆数的振动模态。对于的振动模态，由前面的式.，可得圆环的共振频率为.由图.可以看到金属圆环中开的尺槽，这是为了放大共振振幅和减小刚度，为了便于研究有齿定旋转行波超声电机结构设计摘要旋转,行波,超声,电机,机电,结构设计,毕业设计,全套,图纸摘要超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激励弹性体产生谐振作用，把电能转换成微米级振幅的振动，再依靠定子和转子之间产生的摩擦耦合将这细微振动扩大为转子及与之相联的轴的旋转运动。与传统电磁电机相比，具有质量小结构简单高效率低噪音低速大转矩和可以直接驱动负载等特点。在航空航天精密仪器生物医学与许多重要领域等具有广阔的应用前景。适应于工程上对超声电机的需要，本文设计了种旋转型行波超声电机，主要完成了以下工作.总结分析了国内超声电机技术的现状发展及所存在的问题.阐释了旋转行波超声电机的运动机理.利用软件建立了超声电机定子的数学模型，利用模型对定子的工作模态进行分析并计算，确定超声电机的定子的工作模态.完成了直径超声电机的装配图和零件图的设计关键词超声电机模态分析设目录摘要目录绪论.超声电机的定义.超声电机的特点.超声电机的发展历史.超声电机的应用及发展前景.本次课题的研究方向及安排旋转行波超声电机的工作原理.引言.旋转行波超声电机的机械结构.超声电机的工作原理.压电陶瓷的工作原理.定子行波的产生.定子表面质点运动分析.本章小结定子模态分析计算.导言.固有频率的理论计算共振频率计算共振振幅的计算.定子建模分析软件简介定子建模定子分析.本章小结结构设计.导言.设计流程.定子机构设计定子内外径设计模态阶数选择和振动模态设计定子厚度驱动齿设计内支撑板设计.转子设计.摩擦层设计.设计结果.电机设计结果装配结构.本章小结结论与展望.全文主要内容.工作展望.心得体会致谢参考文献绪论.超声电机的定义超声电机又叫做超声马达。超声电机利用压电材料的逆压电效应。实现电能对机械能的转化。相对于传统电机不同，超声电机是利用超声波频率范围内的机械震动作为驱动源的驱动器。超声电机的英文名为。简称为。.超声电机的特点超声电机是种新型的电机，它与传统意义上的电机无论是在使用上还是原理上都有很大的不同。超声电机具有以下几个特点超声电机的能量转换方式不同于传统电机。传统的电机，如异步电机等是通过电场的相互作用酱电能转换成机械能，电机的定子和转子并不直接接触，定转子间是有间隙的。通过电源供电产生电能，经过定子和转子上的线圈产生磁场，磁场力作用于转子，产生机械能。可以看出传统电机的机械能主要靠电磁感应作用由电能转化而来。而超声电机不同于传统电机，超声电机的定子和转子是靠摩擦耦合将动力转换成转子或滑块运动，定子和转子是需要直接接触。因为超声电机不靠电磁感应原理来实现能量转换，所以超声电机不需要刺激和绕组。超声电机利用逆压电效应，在定子上粘贴上压电陶瓷元件，同时对压电陶瓷原件上施加交变电压，使定子产生高频机械振动，振动产生的定子和转子间的摩擦力使转子做定向的回转或直线运动。所以超声电机存在两种能量转换.压电陶瓷利用逆压电效应实现电能对机械能的转换。.定转子之间摩擦产生的机械能转换。超声电机具有转速低转矩大的特点。图.和图.分别为电磁电机和超声电机的转矩效率速度曲线图。由图可见，超声电机在小转矩，大转速的情况下效率高。而在低速大转矩的情况下效率则比较低下。图.图.超声电机具有体积较小，重量轻。超声电机依靠定子和转子的摩擦耦合获得机械能，不需要线圈和磁铁，因此相较于普通电机超声电机在相同转矩情况下拥有较小的体积和更轻的重量。无电磁干扰和电磁噪声，电磁兼容性好。因为超声电机没有磁极，所以不收外界电磁的影响，自身也没有电磁感应的影响。因此超声电机适合在强磁场的环境下工作。超声电机具有耐低温的特性，适合在真空的环境下运行，如在太空中。超声电机的定转子具有直接物理接触。当断电后，在静摩擦力的作用下仍能保持很大力矩。结构简单，设计形式自由度大，可以根据需要改动电机的设计虽然超声电机在半个世纪来的发展下已经具有很有传统电机不具有的很多优良的性能，但是些不足之处仍然存在超声电机使用寿命短成本高昂在高温环境下或者在长时间工作使超声电机自身温度上升之后，压电陶瓷在高温下物理特性会发生变化，影响电机的参数，导致电机性能的变化。综上所述，超声电机在有些地方还是有许多不足的地方，但是，不可否认的是超声电机具有它独有的优越性能。