（毕业设计全套）超声波电机的设计（打包下载）

超声波电机转子的柔性要求由定转子接触模型可知，振动的定子与转子间的接触变形对于将齿端的周向振动通过摩擦力转换为转子的运动是非常必要的，并要求在波峰处有定的接触长度，如图所示。

转子通过柔性变形能够减小摩擦接触中的滑动损耗，从而优化电动机的性能。

对于图.二维定转子接触模型而言，由垂直振动引起的接触压力沿周向按正弦规律变化，定子表面的周向速度也按正弦变化，为了避免与波峰的低速或者反方向的速度区域接触，接触长度略小于半个波长，此时往往由摩擦层的变形来实现定转子的摩擦驱动。

等人分析了刚性硬转子与软转子接触面对电动机性能的影响，指出了硬耐磨表面的转子可以通过其结构的变形获得转子的柔性，能够消除由于高聚物摩擦层振动损耗而损失的效率。

其单纯的转子柔性可通过在接触区域采用柔韧的腔结构或者带结构来获得，如佳能公司的环形行波超声波电动机转子结构，也可以通过使用泡沫金属复合物材料的转子来获得。

转子的柔性通常可由摩擦层的柔性和转子的结构合成，在垂直振动下可产生变形，从而实现良好的定转子接触。

目前大多数的电动机都同时利用转子结构和摩擦层的柔性。

图.转子柔性与接粗面变形定转子径向弯曲配合由于超声波电机是基于摩擦驱动机理工作的，使用寿命是超声波电机实用化生产的大障碍，为了提高寿命，可以增加定转子的接触面积，减小预压力，从而降低摩擦层的损耗和增加其使用寿命。

为了能够使行波超声波电动机输出很大的力矩，常需要在定转子间施加相当大的轴向预压力，此预压力的施加常通过轴向定转子变形产生，这会使定转子沿径向弯曲，由于径向弯曲的存在，使得定转子的实际接触面积大大减小，压力分布不均匀，定子转子的内径接触方向迅速磨损，如图.所示为早期的超声波电机定转子的径向弯曲效应和定子径向磨损情况。

大量的磨损是由于定转子接触面积减小，局部接触压力过大引起的。

而且，接触压力使得摩擦材料内部循环应力增大，造成极大的损耗和发热。

等使用对定转子接触情况进行了计算，结果表明存在径向弯曲效应的电动机的局部接触压力是接触区域无径向弯曲效应情况下的倍以上。

图.早期超声波电机定转子接触及磨损情况由于定转子径向弯曲效应的存在，需要相应改变定转子结构设计，以配合径向弯曲效应，使定转子能够平行接触。

定转子的径向弯曲配合能够增加接触宽度，使接触压力沿齿的整个径向距离均匀分布，极大地降低了局部接触压力，从而显著地减少材料磨损。

另外，在保持周向接触比和压力不变的情况下，增加接触宽度，能够使加到转子上的周向预压力显著增加，因而使径向压力分布均匀，并在不增加局部压力和摩擦层磨损率的情况下提高行波超声波电动机的机械性能。

根据参考文献考虑定转子径向弯曲配合的定转子结构设计如图.所示。

该转子结能使磨损均匀分布在整个接触区域，大大降低了摩擦层磨损，且由于压力降低，摩擦层的损耗随之减小另外，定转子接触表面的加工精度是关系到定子的振动能能否有效地转化为转子转动能的关键，其平面度和粗糙度对电机运行噪声能量转化效率运行平稳性等性能影响很大。

所以，转子与定子接触的表面要进行研磨，保证表面的平面度和粗糙度。

装配时，定转子必须保持面接触，使预压力在整个面上均匀分布。

摩擦层的设计超声波电机的摩擦材料必须满足耐磨耐高温摩擦系数稳定性好等特点。

较大的摩擦系数可以获得较大的输出转矩和较高的能量传递效率，但是如果结构设计或定转子材料选择等环节处理不当的话，则可能发生磨损率高，电机不稳定等特点。

据参考文献摩擦层最佳的参数选择是弹性模量厚度为.摩擦系数为.。

.定转子设计的总结对于超声波电机定转子的校核，不像我们平时学习的电机，有确切的验算数学公式。

目前为止，还没有推导出，比较成熟的公式对其进行校核，对于现阶段，我们般根据经验公式设计出超声波电机的样机结构，在利用仿真软件，对其进行仿真测试，然后判定其是否合格。

因为本人在此次论文中，未涉及软件仿真，故未进行有效地验算，不过，行波型超声波电机是目前所有典型超声波电机中力矩最小的种。

它的力矩比吊床上的小风扇的力矩还小，般连.的力矩都不到，故根据经验而言，所设计的定转子的初步结构是基本符合要求的。

第章超声波电机的驱动控制技术目前超声波电机的控制信号的产生方法有很多比较早期的方法是利用定时器构成多谐振荡器，由振荡器产生频率可变的方波信号，方波信号加到环形计数器触发端，得到路相位互差的方波信号，滤波后得到的正弦波通过脉宽调制控制芯片得到波。

驱动功率逆变电路。

这种方式调频由振荡器外围电位器调节，调节精度不够，而且是手动调节完全无法满足快速调速的要求，而且这种电路不具备调相功能，而且这种电路在频率自动跟踪的性能很差。

考虑到定时器调频控制很困难，采用压控振荡器这种电路产生初始脉冲，可选用。

输出的信号经过分频分相电路变成四路相位相差，频率为输入信号四分之的脉冲信号。

分频分相电路可选用的方法有很多可以采用环形计数器，也可以采用移位寄存器，等。

但是考虑到超声波电机频率特性随环境变化而变化，般采用锁相环芯片作为并进行频率自动跟踪。

如果利用这种方法进行调相调速的话，需采用高分频数的芯片才行，这样带来的成本会很高。

目前随可编程逻辑器件的发展，可以将锁相环，分频移相电路集成到块芯片中，这样的话就可以将分频数很大程度的增加，进而很容易的实现变相调节。

也可以使用数字芯片通过编程实现两路相位，频率可以变化的信号，在进行分频移相驱动功率电路。

近年来发展起来的直接数字频率合成技术已经成为了超声波电机驱动技术的研究重点。

基本原理是利用奈奎斯特采样定律，经过查表后把系列的数字量信号通过转换成模拟量信号输出，控制器控制信号发生单元产生两路独立的正弦信号，两路信号间的相位差可以在范围内任意调节。

技术可以采用专用的芯片，比如公司的，也可以利用搭建或编程实现。

来这种方法具有频率切换时间短频率分辨率高相位变化连续易实现对输出信号的多种调制等优点。

当前超声波电机驱动电路研究的重点在功放逆变电路。

目前驱动电路的设计大都采用功率半导体器件开关型逆变电路高频变压器等现代电力电子技术手段。

使用较多的有推挽式变换电路，隔离型的半桥桥驱动电路。

在系统处于机械谐振状态时，超声波电机是容性负载。

由于超声波电机在谐振频率附近工作时，系统呈现容性，般采用电感进行匹配，抵消静态电容的容抗分量的影响。

匹配电路的作用有以下三个方面阻抗匹配，即通过匹配使驱动电源向电机输出的电功率达到最佳点，把电机的阻抗变换成驱动电路的最佳负载。

谐振匹配，即通过匹配使驱动电源输出效率最高，这是由于超声波电机呈容性，造成工作频率处的输出电压和输出电流存在相位差，使驱动器输出效率降低。

滤波，由于超声波电机的驱动电源采用开关技术实施功率放大，其信号输出为方波，因而需要滤除高频杂波，改善输出电压的波形，以免激发出定子的非工作模态。

匹配电路的主要思想是通过加入匹配电路来使超声波电机的定子对外呈现电阻性。

匹配的方法有并联电感串联电感电感电容匹配，型网络匹配，匹配等方法。

目前，对于超声电机的控制，仅限于速度稳定这指标。

但是，超声电机工作的稳定性受温度摩擦损耗或其它外界因素等干扰较大，其中温度的变化对电机运行稳定性的影响尤为显著。

超声电机机体中的压电陶瓷元件对温度也较为敏感。

当电机运行段时间使机体温度上升后，电机定子的共振频率会随着温度的上升而下降，导致开环运行时的电机转速下降，如图所示。

图中为超声电机温升前的速度频率曲线，为温升后的速度频率曲线，和为相应的共振频率。

图.超声波电机在不同温度下的速度频率曲线由于超声波电机机械谐振频率会随电机温度的改变而变化，变化规律是当温度上升，压电振子的谐振点和反谐振点频率会下移反之，压电振子的谐振点和反谐振点频率会上移。

由于电机工作在谐振点和反谐振点之间的频率范围内靠近谐振点时，电机的效率最高，因此电机的工作频率也要随着温度的升高而进行相应地降低才行。

所以需要频率自动跟踪方式来进行闭环控制。

所谓的超声电机的频率自动跟踪，就是使电机的驱动频率与谐振特性始终保持定的关系，以达到速度稳定的目的。

下面是超声电机控制系统中常用的反馈变量孤极电压反馈孤极是安装在定子上检测定子振动状态的压电陶瓷，反映定子的振幅和频率。

对孤极反馈电压值检测，可以获得当前定子的谐振频率，通过改变电机激励频率跟踪定子谐振频率，以获得最佳激励效果。

这种反馈形式已经成功应用在商业化的超声电机中。

相位反馈输入电压和孤极反馈电压之间的相位差作为输入输入电压和孤极反馈电压之间的相位差可以反映电机的工作状态，所以控制器若能保证输入电压和孤极反馈电压之间的相位差在定范围内，则可以保证超声电机能够工作在个稳定的工作状态输入电压与输入电流之间的相位差作为输入。

理由同上述在有补偿电感的驱动电路中，加在补偿电感两侧的电压信号的相位差作为输入。

理由同前，由于补偿电感两侧的波形不同，检测电路的设计相对比较麻烦，故较少采用。

速度反馈用于速度伺服控制系统。

用霍尔测速元件或光栅编码器，采用锁相控制的方法实现。

位置反馈用于位置伺服控制系统。

检测电机输出的角位移。

纵观上述的几种反馈方法，孤极电压反馈和相位差反馈属于半闭环控制类型，而速度反馈和位置反馈则属于全闭环控制类型。

第章超声波电机整体结构设计底座压电陶瓷片定子压盖转子上轴套碟簧轴承开槽螺钉下轴套调整垫圈图.超声波电机的的二维结构图应用本文有关设计参数和指标，设计的行波型超声波电机的实际样机结构如图.所示。

主要由压电陶瓷激振部分定子转子等构成。

定子和转子之间需要有加压装置，主要通过蝶簧来施加，并保证定子与转子在接触面上，预压力能均匀分布。

在前面讨论了行波型超声波电机的定子和转子的设计。

下面需要对超声波电机输出轴进行设计分析。

超声波电机输出轴的特点是低转速大力矩轴。

在轴上分布有定子转子碟簧平面轴承，轴两端有滑动轴承。

超声波电机的输出轴主要起到三个作用首先是要通过超声波电机的输出轴传递定子和转子之间的预压力通过输出轴传递运动和动力的作用通过轴起到装配定位的作用。

因此，对轴的有较高的同轴度和垂直度要求。

在超声波电机轴的精加工前要对其进行热处理，这样可以避免在加工过程中产生热变形。

由于超声波电机定子表面振幅般只有几个微米，因而定转子配合预压力施加装置的配合等装配过程引入的误差都会导致电机效率的下降机械摩擦噪声增加及转动不平稳等问题的出现。

装配时，定转子的配合必须保证为面接触接触压力均匀分布，而且定转子接触的偏差应该允许碟簧等通过预压力进行细微的调整。

装配完成后，要对超声波电机整体进行连续运行，循环正反切换运行等试运行，以使粘结层内部应力释放，各种阻尼及物理限制减弱，接触面进步磨合，从而使电机的运行性能进入稳定运行期。

第章全文总结超声波电机是国外八十年代发展起来的种新型直接驱动微电机。

它的基本结构及工作完全不同于传统的电磁电机，主要由高频电源压电陶瓷定子转子以及预压力机构等组成。

它主要利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化为电机定子的机械振动能，然后借助摩擦力将机械振动能传递给转子，产生直线运动或旋转运动。

由于超声波电机独特的工作原理，它具有低速大转矩响应快不受磁场影响断电自锁等许多优点。

在精确定位装置微型机械工业控制仪器仪表智能机器人航天航空等领域有良好的应用前景，因此引起了学术界和企业界的重视。

国内外有很多科研机构都正在对其进行研究。

我国超声波电机研究的起步和美德法韩国等国差不多。

自“首次全国超声电机技术研讨会”后，超声波电机更受到各方面的关注，特别是得到国家自然科学基金会和高技术专家组的大力支持和资助。

我国的超声波电机技术得到较快的发展，先后有清华大学哈尔滨工业大学浙江大学长春光机所哈尔滨工程大学水声研究所吉林工业大学南京航空航天人学北京科技大学天津大学上海冶金研究所华中科技大学东南大学信息产业部电子第研究所等十几所单位开展了对超声波电机的研究。

其内容涉及超声波电机运动机理谐振频率计算驱动电路设计控