旋转行波超声电机结构设计（全套完整有CAD）

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子特性，将图.所示的环形超声电机的定子展开复合梁如图.所示。

考虑到复合梁是压电陶瓷及金属梁组成，在金属梁的上面有齿槽。

所以直梁的共振频率计算公式需要做些适当的修改。

由梁的弯曲理论可知，在中性层上所用正应力为零。

根据此条件就可以确定中性层及中性轴的位置。

在图.中，为压电陶瓷厚度，为金属梁厚度，为齿高，为齿宽，为梁宽。

设金属梁和压电陶瓷的弹性模量为，从压电陶瓷底部至中性层距离为。

由于在中性层上所有正应力为零，可得下式.式中，为金属梁和压电片的应变，根据上式可以得到.又因为复合梁的等效刚度为.式中为相对于中性层的惯性矩，即.备注式中被积分量是从中性轴算起。

复合梁的平均密度为.也可以表示为.由以上各式整理得复合梁的共振频率的计算公式为.式中，为金属梁的长度。

共振振幅的计算由第二章中的超声电机的工作原理可知超声电机的定子振动是由压电陶瓷受到电压的激励产生的。

当在方向激励压电陶瓷片时，由于逆压电效应，可在方向产生应变，此应变对定子施加弯曲力矩，从而使定子产生弹性挠曲。

定子在谐振时的弹性挠曲，即定子的振幅，可以用动态放大系数以静态弹性挠曲量来求得。

图.等效简支复合梁图.复合梁的弯曲分析单元图.中是为环形行波超声电机定子展开而成的等效简支复合梁。

当时，即，相同频，等幅和空间时间上都超前时，此驻波叠加为个正向行波.当时，即，相同频，等幅和空间时间上都落后时，此驻波叠加为个反向行波.由此可得，定子内的行波是基于和固有频率的两个正交同振型在时间上相差作固有振动叠加成的。

所以行波的有效激发条件是空间上相差时间上也相差。

由此可见，只需改变两相驻波间激励时差，可以轻易的改变行波方向，从而能够实现超声电机的正反转。

.定子表面质点运动分析行波的形成是超声电机转子运动的能量来源，而为了了解行波在转子中的运动，则需要对定子表面质点运行轨迹进行分析。

对于带有带内支撑板的环形定子，因内支撑板较薄且质量小，故可以忽略支撑板的影响，视该定子为个环形薄板。

另外，考虑到的定子环上的齿的宽度较小，故可忽略定子环的运动沿径向的变化，用定子环的平均半径即所对应的圆周面上的行波来表示定子的行波运动，这里，分别表示定子环的外径。

显然，中径对应的圆周上的行波可描述为.式中，表示半径为的圆柱面上的弯曲行波波幅。

为便于分析，现将半径为的圆柱面展开为矩形，同时给矩形赋与定厚度定子环的宽度，这样就得到个弹性等截面直梁，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.定子和转子的设计使本文的主要设计内容。

另外还有些其他的部件如蝶簧，轴承以及防止定子的底座和壳体。

这些部件都有其特殊的功能。

这额部件的合理设计才能使得超声电机正常完美的运转。

该电机具有体积小结构简单，扭矩与体积比值大，输出力矩和转速大的特点。

.超声电机的工作原理旋转行波超声电机是目前使用最广泛的种超声电机。

旋转行波超声电机依靠定子振动产生行波，从而带动转子旋转。

如图所示，定子断面粘贴有两组压电陶瓷片。

当压电陶瓷片产生逆压电效应后，定子上会产生两个时间和空间上相差的同频率，等幅值的驻波弯曲振动，这两个驻波在定子内部产生线性叠加，形成弯曲行波。

产生的行波会使定子表面指点做椭圆运动。

定子与转子间的摩擦耦合使得定子表面的椭圆运动带动转子做旋转运动。

因此，超声电机的工作过程大致分为两大部分.压电陶瓷的逆压电效应带动定子的振动。

.定子质点依靠摩擦耦合带动转子做旋转运动。

当定子和转子设计为圆板结构时，这种超声电机则为旋转行波超声电机，如图.所示。

图.压电陶瓷的工作原理压电陶瓷是超声电机的核心材料，是超声电机能量转换的关键部件。

定子表面质点的椭圆运动来源于压电陶瓷的逆压电效应激励。

压电陶瓷是超声电机能量转换的桥梁。

所以对压电陶瓷的了解是设计超声电机必不可少的部分，对于设计好超声电机，提高电机性能有着巨大的作用年，居里夫妇发现了压电效应，于是越来越多的人开始研究将压电效应应用于工程。

在世纪年代开始，人们开始发现各种具有良好的压电性能的材料，并有效地将至运用于工程之中。

极化前的电畴取向极化后的电畴取向图.压电陶瓷中的电偶极子压电陶瓷本身是种铁电体，在没有经过极化之前不具有压电性。

在微观上，压电陶瓷可以当成是许多无规则取向的铁电晶体构成的，如图.所示。

这种无规则的取向和微晶中的“电畴”结构，使这种电机的工作频率为.，电压，输入功率，输出功率，转速，机械效率为。

这是世界上第台能应用于实际中的超声电机。

但是这部电机在使用过程中磨损十分严重，严重影响电机的使用寿命。

年，指田年生发明了行波型超声电机，该电机此电机实现了断续点接触变换成多点连续不间断接触推动转子运动，大大的降低了电机的磨损，延长了电机的寿命。

年，指田年生在美国申请了其专利，并且阐述分析了其工作原理以及超声电机的结构。

年，松下公司在指田年生的设计基础上对超声电机的定子做出了改进。

扩大的定子的振幅，大大的提高了超声电机的效率。

在此之后，世界各国也发现了超声电机的研究价值，如美国，英国，土耳其等国家也相继开始加入了对超声电机的研究。

时至今日，超声电机的研究仍在继续。

我国对于超声电机的研究开始于上世纪年代，相较于其他些发达国家起步较晚，所以对于超声电机的研究与其他国家仍然具有定的差距，所以，我国需要在超声电机方面获得更大的成就，需要与其他国家相互学习印证，完善我国在超声电机领域的知识，争取缩小与其他国家的差距。

.超声电机的应用及发展前景由上所述的超声电机所具有的的有点，自超声电机被研究问世以来始终在不同的进步和发展。

目前超声电机已经被广泛运用于很多方面，超声电机体积小重量轻，无磁场干扰等优点在航天航空，计算机，汽车，精密仪器等方面取得了良好的应用。

如航空航天的应用，因为超声电机具有真空工作的良好性能，并且适合于精密仪器，所以美国早在太空机器人的微型仪器机械臂和微型桅杆式机械臂上等部位应用了超声电机。

在我们生活中，如医院，影院等地方对噪声要求低，所以窗帘的驱动元件往往应用了超声电机。

由此可见，超声电机应用于生活中各个方面。

超声电机的发展前景样十分广阔，在我国，超声电机在未来同样可以应用在很多方面航空航天领域。

我国在航空航天领域向走在世界的前端。

载人航天技术也仅次于美国与俄罗斯位列世界第三。

在未来的航空航天领域中，超声电机相对于传统电机体积小重量轻以及真空环境下的良好性能将会作为航天领域电机的主要选择。

对于减少飞船的质量，增加可控性等方面都能有良好的改善车辆上的应用。

在未来的车辆发展中，些大型的或豪华的汽车中往往会需要多达数十个电机，此时减少电机的体积和质量将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。

而随着科技的发展，超声电机的部分缺点也在慢慢的被克服。

因此在本次的设计中，应该做到取长补短，尽可能的把超声电机的优点发挥到最大，同时把超声电机缺点影响降至最小。

.超声电机的发展历