基于梁振动原理的两种超声波电机结构的研究

摘要

超声波电机(Ultrasonic Motor，简称USM)是一种新型发展的驱动器，到目前为止不过三十多年的时间，由于其独特的运动机理和优势，应用范围越来越广，从汽车工业到航空航天领域，从精密仪表到智能机器人等都不同程度的应用到超声波电机。不同于传统的电磁电机，超声波电机工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应激发出振子在超声频域内的微观振动，通过摩擦作用将振子的微观振动转换成转子宏观直线（旋转）运动，由于其结构中无线圈工作过程中不产生磁场也不受磁场的干扰，而且具有低速大转矩和能在恶劣的环境条件下工作等特点，所以在某些特定的场合只能使用超声波电机。
　　基于梁振动原理的超声波电机由于其结构简单、加工方便和效率高等特点使其有着广泛的应用前景。本论文设计了基于梁弯曲振动的杆式超声波电机和基于梁纵振和扭振的模态转化型超声波电机，并将模态转换超声波电机加工装配后进行了测试，对实验结果进行了分析和总结。具体所作的工作和取得的研究成果如下:
　　(1)对超声电机的概念作了基本的理解，着重介绍了其研究现状、应用情况、分类以及特点，根据已有的成果和存在的问题引出了本课题研究的主要内容。
　　(2)介绍了压电陶瓷的基本性质，建立了杆式超声波电机定子振动的数学模型并利用仿真软件对其运动过程进行了仿真，分析了定、转子间的预压力对其接触模型的影响。
　　(3)对杆式超声电机定子的结构进行了有限元的建模，然后对其进行了动力学仿真分析，主要包括模态分析和谐响应分析，确定了电机的结构。
　　(4)分析了模态转换型超声波电机的运转机理、振动模型和斜槽的尺寸对其纵扭频率的影响，确定了其定子的结构。
　　(5)设计了模态转换型超声波电机的其它部件，加工和安装后对其性能进行了测试，对实验结果作了总结和建议。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 超声波电机的发展概况

1．1．1 国外发展现状

1．1．2 国内发展现状

1．2 超声波电机的分类

1．3 超声波电机的特点

1．4 超声波电机的应用实例

1．5 基于梁弯曲振动的杆式电机研究现状

1．5．1 主要研究方向

1．5．2 目前已有的研究成果

1．6 本论文研究的主要内容

第2章 杆式弯曲超声波电机的理论基础

2．1 压电材料基础

2．1．1 压电材料性质

2．1．2 压电方程

2．1．3 压电振子及其振动模式

2．1．4 压电陶瓷的其它参数

2．2 杆式超声波电机的结构

2．3 电机运动机理

2．3．1 定子端面行波的形成

2．3．2 定子端面质点的运动轨迹

2．3．3 锥面质点运动方程

2．4 定子振动模型及锥角分析

2．4．1 定子振动模型

2．4．2 定子锥角的计算

2．4．3 锥面驱动的优势

2．5 定子和转子之间预紧力分析

第3章 杆式超声波电机的有限元分析

3．1 ANSYS软件介绍

3．2 定子结构及材料参数

3．3 定子模态分析

3．4 定子谐响应分析

第4章 模态转换超声波电机的运行机理

4．1 纵扭模态转换超声波电机的原理

4．2 定子振动模型

4．2．1 梁纵向振动的分析

4．2．2 梁扭转振动的分析

4．3 定子参数对电机固有模态的影响

第5章 模态转换型电机的装配及实验研究

5．1 电机的装配

5．1．1 电机其它部件的设计

5．1．2 电机的安装

5．2 实验研究

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢