（定稿）旋转行波超声电机结构设计（全套下载）

正是他们在四年中点点滴滴的教育，让我掌握了这许多的专业知识，才能完成这份论文，同时对我今后的工作具有巨大的帮助。

最后感谢我的父母，在我完成论文的过程中给予我的支持，无论是需要什么，都毫不犹豫的给予经济生活和精神上的支持。

正是有这些人的支持，才能让我顺利的完成了这次论文。

参考文献胡敏强，金龙.超声电机的原理与设计.北京科学出版社，.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，即得烧结后的陶瓷体在宏观上为各向同性的不呈现压电性。

为了让其具有压电性，就需要对其进行极化，即需在压电陶瓷片上施加很高的直流极化电场，如图.所示，使铁电体中的“电畴”的取向尽可能具有致性，而撤除该电场后，由于铁电晶体具有类似磁滞的“电滞回线”特性，从而会使压电陶瓷中仍能保留定的剩余电场。

当在此剩余电场上叠加小的交流电场时，由于交流电场相对很小，其作用般不足以使“电畴”转向，但可以引起电畴边界的移动，使与电场同向的电畴体积增大，与电场反向的电畴的体积减小，这样，经过极化的压电陶瓷便具有了较典型的压电性。

可见，经极化处理后的压电陶瓷可当作压电晶体使用，而且其压电性会表现得更明显。

当把交变电场以特定方式施加到压电陶瓷片上以后，通过逆压电效应可激发出压电陶瓷的振动模式，这时压电陶瓷就成为了个压电振子。

压电振子典型振动模式主要有垂直于电场方向的长度伸缩振动简称平行于电场方向的厚度伸缩振动简称，垂直电场平面内的平面切变振动简称和平行于电场平面的厚度切变振动简称等四种类型，如图.所示。

设计压电振子时，除应选择合适的压电陶瓷材料之外，还要选择合适的压电振子振动模式。

其中，板式旋转行波超声电机利用的是压电陶瓷的模式的振动。

模式模式模式模式图.压电振子的四种振动模式.定子行波的产生图.定子有限元模型图.超声电机相振型图.超声电机相振型如图.和图.定子沿圆周波数为的个正交模态的振型，可称作相和相。

相振型和相振型在空间上相差个波长，相位相差，所以为正交模态，用振型函数，来描述这个振型可得相振型驻波方程.因为定子板为轴对称结构，和相振型相差任意角度的振型都振型，因此，选择与相振型相差，可得到相驻波方程.根据线性波叠加原理可得.由式.可知，定子这时由正向行波，反向行波和驻波构成。

得十分必要。

超声电机具有这方面的优势。

所以，未来的汽车行业，超声电机在这方面的应用将会大有作为磁悬浮列车的应用。

磁悬浮列车上具有很强的磁场，传统电机在强磁场干扰下极易失效，这时超声电机的优越性能将完全取代传统的电磁电机。

由于超声电机良好的性能，他没有电磁绕组和此路，抛弃了传统电机的电磁感应产生能量，改用压电陶瓷的逆压电效应，使得其具有精度高，体积小，不受磁场影响等特点。

这给了超声电机的发展个良好的基础，过去的短短年间，从超声电机开始工程实用化以来，超声电机已经在很多方面发挥着其作用，而未来的研究发展中，解决了超声电机目前所存在的缺点后，超声电机将有可能取代部分电磁电机。

因此深入研究超声电机不仅具有重要的理论价值，同样具有重要的实际意义。

.本次课题的研究方向及安排本次课题需要对超声电机的结构进行设计。

首先需要对超声电机起源以及目前的现状和发展前景进行展望。

其次将对超声电机的工作原理进行详细的分析模拟计算。

接着将对超声电机的原理和特点，利用解析法以及有限元分析法，对超声电机的振动模态进行分析，提高设计出的超声电机的可靠性。

最后将对超声电机的各部件尺寸及材料进行设计，以保证能完整的设计和生产出超声电机。

旋转行波超声电机的工作原理.引言行波超声电机依靠定子产生的行波。

并且靠定转子之间的摩擦得到力矩，使转子得到驱动力产生运动。

超声电机是种不同于传统电机的种新型电机。

因此需要对此电机进行详尽的分析以确保设计的电机能有最好的性能。

本章将对超声电机的工作原理进行分析，为后续电机的设计做铺垫。

.旋转行波超声电机的机械结构图.如图.所示为旋转行波超声电机的内部结构展开图。

由图可以看出，定子是由定子弹性体，内圈以及压电陶瓷片三部分组成。

压电陶瓷片依靠粘贴层粘贴在定子外圈上。

而超声电机主要靠定子弹性体产生行波，所以定子是超声电机的主要部件。

定子的设计也将是电机设计的重点。

其次设计转子，转子需要和定子直接产生物理接触从而产生摩擦力驱动转子运动，所以定子在设计有驱动齿的同时转子表面需要涂覆层摩擦材料作为摩擦层。

超声电机的出现以及发展取决于很多方面的突破，如压电陶瓷材料的发现及改进。

大致来说，超声电机的发展可以分为三个阶段，即超声电机概念阶段具有实用前景的样机阶段和产业化生产及应用阶段。

年，居里夫妇发现压电效应，但是受当时的科学水平所限，对于压电效应的应用仅仅处于个很狭小的领域，只局限于水声和电声器件。

世纪年代初，美苏科学家同时发现了陶瓷的铁电性，这对压电陶瓷的发展产生。

重要的意义。

年，美国学者和.申请了第个超声电机的模型专利。

如图为第个超声电机的模型，四片压电陶瓷分为两组粘贴在截面为正方形的长条弹性体的两个侧面上，对其施加两相相位差为的交变电压激励，能够在长条弹性体中激励起两个方面和频率相同的弯曲震动，从而在弹性体端部质点做椭圆摇摆运动，此椭圆摇摆运动就可以驱动压在其上的转子或者移动体。

此模型类似于如今的杆式超声电机。

但是因为当时的技术水平已经材料方面的问题所制约，这个模型最终没能变成个真正的样机。

图.最早的超声电机设想模型在此之后，压电陶瓷的技术革新在不断的进行。

年.发现在陶瓷上施加直流偏压，该陶瓷会呈现强的压电效应。

年贾非等发现有良好的压电节点性能。

这些压电材料的丰富和进步，以及科技水平的发展，超声电机的研究在这样的环境下得到了很快的进步和提升。

年，日本钟表公司研制出种新型钟表，该钟表利用音叉的往复位移拨动棘轮而获得驱动。

该钟表的精确度相当高，仅有的月误差。

这种领先于当时科技水平的钟表，造就了超声电机的样机雏形。

年，苏联科学家设计出了台利用轴向弯曲耦合振动的振动片型超声电机，并且由此总结解释出了超声电机的工作原理。

年前后，德国西门子和日本松下两家公司研究出了利用电谐振工作的直线驱动机械，这种机械拥有高达输完赫兹的振频，但是却因为振幅过小，无法发挥较大的实用价值。

年，前苏联科学家研究出种能驱动较大负载的超声电机。

这种电机是利用振动片的纵向振动和弯曲振动，再通过摩擦耦合，把机械能传递给转子。

年，日本科学家指田年生在苏联科学家的研究基础上，成功制造出种驻波型超声电机。

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.