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（图纸+论文）超声波电机的设计（全套完整）

弹性梁由于弯曲产生的应变能为其中等效前的弹性体弹性模量等效弹性模量系数，同理可得等效弹性模量为这时，有齿槽的弹性梁已经等效为高度为的弹性等直梁了。进步按图中的图，把定子环等效为复合梁。首先要确定中性层和中性轴的位置。由复合梁的弯曲理论可知，在中性层上所有正应力为零。由此可以确定中性层及中性轴的位置。设复合梁上表面距中性轴的距离为，在梁截面上只有弯矩而没有轴力，因此有其中根据参考文献弹性体等效梁和压电陶瓷片的正应力弹性体等效梁和压电陶瓷片的应变压电陶瓷片的杨氏模量中性层弯曲后的曲率截面任点的轴向座标将式代入式，可得其中，为压电陶瓷片的宽度。中性层的位置旦确定，复合梁的弹性模量和截面惯性矩亦可确定其中根据参考文献复合梁的平均密度和截面积为由此根据参考文献可得复合梁的固有频率计算公式为由式就可以求出定子的谐振频率。由上式可知，定子的谐振频率与定子半径二次方成反比，与定子上波数的平方成正比，同时定子的谐振频率还与定子所用的材料特性定子环的截面积有关。.压电陶瓷换能器的设计和制作压电陶瓷的设计由前面对行波型超声波电机运行机理的分析可知，两列在时间上相差，空间上相差波长的驻波可合成行波。如图.所示为压电体的分级结构。号表示极化方向，定子上的环形压电陶瓷片按定规则分割极化后分为两相区，相邻两级空间排列相差波长，并且分别受到在时间上也相差的高频电源的激励和。当激励电源的频率等于定子的固有频率时，定子振动体产生共振，两区间压电陶瓷所激发的波相叠加，在电机定子中产生沿圆周方向的合成弯曲行波，推动转子旋转，转动方向与行波的传播方向相反。倘若改变所施加激励电源电压的符号，可以使转子反转，十分方便。激励电源可以为正弦波或方波。图.中，段为接地，作为区和区的公共地，段为用于将两驻波合成为个行波，也可作为控制和测量用反馈信号的传感器。另外，两相区在空间对称排列，而且每相产生的驻波都在圆环内形成相同的整数个波，即称为波数，图.中，波数。对于压电陶瓷片的厚度，它决定了在定电压下是否能够起振，根据参考文献如果压电陶瓷片太厚，大于.，则在通常电压情况下，不易起振。如果太薄，小于.，则在高频谐振条件下，由于形变过大而容易发生断裂，而且加大加工难度，在样机研制中不易实现。旦定子制作完毕，工作时该椭圆运动轨迹的长轴和短轴般不能独立地调整。电机工作时，定子与转子始终保持接触，不分离。定子与转子的接触位置沿接触面连续变化。电机结构尺寸小，旋转方向可以改变，速度和位置容易控制。第章超声波电机的理论计算与设计超声波电机与传统电机不同，还未建立起系统的设计理论与方法。超声波电机的关键部件是定子，定子的谐振频率与驱动电源是否相匹配是电机能否正常运转的关键。本章从定子的谐振频率的计算出发，详细介绍了超声波电机的设计过程，同时分析了电机的加工工艺，设计了直径的样机图。设计中，以提高电机的性能为优化的目标，我们还预先设定些结构参数，而将定子弹性体厚度及压电陶瓷的厚度作为设计变量。.定子谐振频率的计算超声波电机的定子是由弹性体与压电陶瓷粘接在起的。正因为如此，在分析行波超声波电机的定子振动的谐振频率前，先作如下假设.认为弹性体的变形遵守虎克定律，且振动是微幅的，系统为线性的。.把定子环展成根等直梁考虑，忽略定子环的曲率效应。.忽略由于定子环表面的齿槽而产生的非正弦振动分量，认为其振动近似为正弦波。.忽略定子环振动时引起的径向位移。在作定子环的等效梁分析时可以分两步进行。首先，把有齿槽的弹性体梁等效为弹性体等直梁，等效的原则是按等效前后的动能和势能分别相等，且等效前后梁的高度不变然后再将压电陶瓷片和弹性体组合而成的定子等效为复合梁。定子环的等效梁模型如图.所示。其中，图为梁的结构，为槽的宽度，为齿的宽度，为齿的高度，为未开槽的弹性体的高度，为整个弹性体的厚度，为压电陶瓷片的厚度，为弹性梁的宽度。图为等效前的弹性体梁，图为等效前的复合梁。设弹性梁的驻波波动方程为上式中驻波轴向位移定子环上驻波的波数定子环平均直径上的周长相应的变分为则惯性力在整个定子梁上所作的虚功根据参考文献为上式中等效前的弹性体的材料密度等效前弹性体的截面积等效前后梁的宽度把和式和代入式并积分，得其中根据参考文献为等效密度系数。等效成无齿槽的弹性梁，则截面积，此时惯性力在整个定子梁上所作的虚功为可以认为等效前后惯性力所作的虚功相等，由式和可得等效密度为由于定子环弯曲振动时对齿的变形影响很小，因此振动时齿的应变能可以忽略不计，此时截面惯性矩根据参考文献可表示为可以预言，随着超声波电机在工业界的成功应用，将会发生场新的技术革命。.超声波电机技术的展望超声波电机在各个领域的广泛的应用。世纪将是超声波电机大放光芒的时代，它将有可能部分取代微小型的传统电磁电机而得到更广泛的应用。超声波电机在机器人计算机汽车航空航天精密仪器仪表伺服控制等领域有广阔的应用前景，有些领域已有成功应用。如照相机调焦太空机器人中的应用精密定位装置和随动系统中的应用民用装置中的应用阀门控制扫描电子显微镜试料架的驱动机器人关节驱动核磁共振装置中的应用汽车专用电器中的应用微位移超声波电机压电直线电机。在未来发展中，为了发展我国人造卫星导弹火箭飞机机器人微型机械汽车磁浮列车以及其他精密仪器，将需要大量的高性能的超声波电机。超声波电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用。超声波电机作为种新型驱动器，是种典型的机电体化产品。超声波电机正经历个从研究开发向实际应用的转折时期，相信经过工业化商品化研制，超声波电机将会使整个机械电子工业机器人计算机汽车航空航天精密仪器仪表伺服控制和人类生活产生次巨大的变革。第章超声波电机的运动机理超声波电机是借助于行波的周向传播来驱动转子转动的。行波使定子与转子相接触的表面质点沿椭圆轨迹转动，利用定子与转子接触处的摩擦力推动转子转动，这是超声波电机传动的最基本的工作原理，如图.所示。利用这个基本原理，人们制造出了各式各样的行波型超声波电机，如公司的盘形行波型超声波电机公司的环形行波型超声波电机。行波超声波电机主要由定子转子及驱动与控制装置组成。.椭圆运动的分析行波型超声波电机定子上的压电陶瓷在二相交变电压作用下，在弹性体内形成两个时空相差为的弯曲振动驻波，进而在弹性体定子内合成个沿圆环周向旋转的弯曲振动行波，行波使弹性体与运动体相接触的表面质点作椭圆运动。根据参考文献将圆环展开成直梁，定子内的弯曲行波如图.所示。设弹性体的厚度为，行波波长为，为定子周长，为定子环上驻波的波数，弯曲振动的横向位移振幅为，角频率为，那么在弹性体内中性层的行波方程为若把弹性体表面上任点设为，未弯曲时的位置设为。当弯曲角为时，从到的厚度方向的横向位移为因为弯曲振动的振幅远比弯曲振动的波长小，弯曲角也很小，所以横向位移可近似表示为同样，当弯曲角为时，从到的纵向位移为因为弯曲角可用下式表述故纵向位移近似于因此，横向位移与纵向位移间关系式为可见，上式为二次曲线椭圆轨迹方程。超声波,电机,机电,设计,毕业设计,全套,图纸目录第章绪论.超声波电机的定义与发展历史.超声波电机的基本工作原理.超声波电机的分类.超声波电机的特点和应用.超声波电机技术的展望第章超声波电机的运动机理.椭圆运动的分析.驻波的产生及行波的合成第章超声波电机的理论计算与设计.定子谐振频率的计算.压电陶瓷换能器的设计和制作压电陶瓷的设计压电陶瓷材料的选用压电陶瓷的接线方式.定子的设计及制作定子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系定子的内外径尺寸的选择定子的振动模态的选择定子的齿形齿数设计定子的结构设计定子材料的选择.转子的设计及制作超声波电机转子的柔性要求定转子径向弯曲配合摩擦层的设计.定转子设计的总结第章超声波电机的驱动控制技术第章超声波电机整体结构设计第章全文总结参考文献致谢超声波电机的设计摘要超声波电机是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。关键词超声波电机特点及其应用及对超声波电机技术的应用展望。.超声波电机的定义与发展历史超声波电机，简称是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。是世纪年代随着科学技术的发展才备受重视并得到应用的种新型直接驱动电机，其发展史却可追溯到世纪年代。世纪年代，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。直到年代初，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利用弹性振动获得动力的尝试是从钟表开始的。年，英国的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。年，公司的博士首先研制成功原理性超声波电机，如图.所示。该电机由个转子和两个驱动振子构成，两个振子由提供振动，其前部压置在转子上，保持摩擦接触。当振子激振时转子顺时针方向回转，当振子激振时，转子逆时针方向回转。与此同时，原苏联的等人也研制出几乎与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些基本特性。年，前苏联的等成功地构造了种能够驱动较大负载的超声波电机，如图.所示。图.前苏联的构造的超声波