两弯曲振子旋转型驻波超声电机.docx

《两弯曲振子旋转型驻波超声电机.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《两弯曲振子旋转型驻波超声电机.docx（65页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、两弯曲振子旋转型驻波超声电机摘要本论文简要回顾了超声电机的发展及研究现状、工作原理和结构形式，并简单列举了现有的超声电机的种类。文中所叙述的新型驻波直线超声电机，采用双振子分别工作，它利用单相信号激发出振子的一阶弯曲振动模态，完全不同于一般直线型超声电机利用纵弯或弯弯复合模态。论文详细介绍了该电机的双振子结构为型振子，双振子工作原理。应用ANSYS有限元分析软件对“T”型振子进行了模态分析，最终确定了振子的工作模态为1阶弯曲模态。同时，乂针对两弯曲振子驻波旋转超声电机的结构进行了系统的设计，特别的在方案设计中介绍很多振子和电机结构的方案，从中确定选出较好的方案进行设计，最后应用Pro/E软件进

2、行了实体的造型。此种电机整体尺寸较小，长、宽、高分别为44mm、34mm 46mmo关键词：超声电机；驻波；弯曲振动模态；双振子AbstractIt is briefly reviewed of the development and the research present situation andthe principle of work and the structural style of the ultrasonic motor, and theultrasonic motor type is exhibited.The new standing wave linear ultra

3、sonic motor is proposed in this paper. It usesthe Bi-vibrators to work separately and Bi vibration mode of slider is actuated by thesingle-phase signal stimulation. It is completely different from the general linearultrasonic motor which uses longitudinal-bending or bending-bending hybrid mode. Itis

4、 introduced in detail the ultrasonic motor Bi-vibrators structure is H T” type,Bi-vibrators principle of work and ANSYS finite element analysis. Finally, ensure Bivibration mode.And it is designed of a standing wave rotary ultrasonic motor with Bi-vibratorsby using flexural mode excitation structure

5、, many vibrators and the ultrasonic motorstructure plan are introduced specially, and the better plan is selected to carry on thedesign, finally the entity modeling is founded using Pro/E software.The type of motor whole size is smaller, and the length, the width and theheight is 44mm, 34mm, 46mm re

6、spectively.Key words ： ultrasonic motor; standing wave; bending vibration mode;Bi-vibrators第1章绪论41.1 超声电机的概述41.1.1 超声电机的发展及应用41.1.2 超声电机的原理31.1.3 超声电机的种类41.2 ANSYS软件在超声电机中的应用61.3 超声电机的内容及应用7第2章驻波旋转超声电机方案设计92.1 驻波旋转超声电机工作原理92.1.1 工作原理92.1.2 陶瓷片的性能要求及振动模式92.2 旋转超声电机的方案设计102.2.1 方案设计的可行性分析102.2.2 具体方案的

7、确定122.3 .弯曲振子的方案设计132.3.1 方案设计的可行性分析132.3.2 具体方案的确定15第3章弯曲振子的ANSYS有限元模态分析173.1 振子的实体模型173.2 影响振子模态的参数及振子振型的确定23第4章旋转超声电机的总体结构设计284.1 超声电机具体结构分析及设计284.2 UG造型、装配及分析30第5章结论36参考文献37致谢39LL1超声电机的发展及应用比较美国、日本及欧洲的超声电机的应用领域的差别，从某种角度也体现了一个国家发展的侧重点。美国的超声换能器主要应用于军事和航天领域。典型应用之一是JetPropulsionLaboratory在空间捆绑结构上采用的

8、堆叠PMN换能器，安装在每个框架的波节位置用作快速减振。著名的“Hubble”望远镜也采用类似的多层PMN压电换能器，控制光信号处理过程中相位波动，有效调节应变滞后所产生的图像畸变。典型应用之二是被动阻尼器。此外，NASAJPL为火星计划中微陆地操作手臂设计了高力矩密度的固态驱动器，采用双面压电行波超声电机结构。JPL设计的应用于飞船自动爬行系统(MACS)中的超声电机可以实现直线和旋转运动。美国海军的潜水衣、水中探声器头、螺旋桨消音器、航空服和装甲工程车减震及飞船噪声减震等都用到了压电换能器。值得注意的是，该领域中的压电换能器有体积增大的趋势。日本的超声换能器面向民用消费品领域，主要应用于办

9、公设备和声像设备，并且电机尺寸大多小于len?。最早的多层压电换能器广泛应用在喷墨打印头上。现在，照相机快门系统采用双压电片结构(MinoltaCam era),开闭时间是毫秒级；自动调焦系统(Canon)采用行波超声电机。压电陀螺应用于小型摄像机，检测摄像机振颤与旋转速度，从而对监视器的图像信号加以补偿。手表中的自振超声微电机以及精密1 2K记录仪中的步动驻波超声电机。日本的超声电机已形成产业化，并有大量的专利储备为产品新技术应用提供了有利条件。欧洲对超声换能器的研究始于近些年，但其涉猎广泛，现主要集中在具有复杂结构的实验室设备，如实验平台及微动设备，如1986年获Nobel物理学奖的扫描隧

10、道显微镜(STM)。我国超声电机的研究伴随南京航空航天大学首次推出TRUM系列行波型超声电机也进入了实用阶段。微型化是办公设备中超声电机的发展走向。医学应用如外科导管也将是超微型化压电驱动器的很有前途的应用领域。在航空、航天及军事方面压电驱动器也越来越受到关注。专家预测未来压电换能器的研究将集中在先进的生态技术系统和安全系统上，能监测和诊断材料设备的疲劳强度和故障等方面。由此可见，压电驱动器与超声电机的发展将对未来先进设备与技术产生深远影响。I.传统的电磁型电机的发展已有100多年的历史。在理论、设计方法或制造技术上，都已达到十分完善的程度。由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前宇宙飞船、

11、导弹、机器人和精密仪器等等对电机所提出短、小、薄、低噪声和无电磁干扰等要求。为此，世界各国都在努力研究各种新型电机。20世纪末期发展起来的超声电机算是最典型的一种。由于超声电机具有许多电磁电机所没有的特点，所以，它已在照相机、手表、机器人、汽车、航空航天、精密定位仪、微型机械等领域里得到成功的应用。2超声电机在国际上得到越来越多的应用。专家预言：21世纪将是超声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。据有关方面透露：美国政府正在实施一项研究和生产计划，要在最近几年内，使美国的超声电机年产量赶上并超过日本达到10亿台以上，将可获得1000亿美元的市场。(1

12、)、可以预计：在21世纪，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、高性能的超声电机。超声电机技术的发展，必将对我国国防和其他国民经济各部门起着重大作用；(2)、21世纪，航空航天是我国重点发展的领域之一。从国外的应用的情况看，它必将应用超声电机。如纳米卫星、微型飞机、宇宙飞船和空间探测器等，应用超声电机，可以减少其重量，增强其可控性；(3)、机器人和微型机械，也是我国21世纪重点发展的领域之一。超声电机可以使机器人和微型机械简化结构，减轻重量，增强其可控性。随着超声电机的微型化，微型机械可进入人体，如作为人造心脏的驱动器，它将会大

13、大推动人造器官的产业化进程；(4)、21世纪，我国将要大力发展磁浮列车。磁浮列车上的强磁场干扰，使得在磁浮列车上的传统的电磁电机工作失效，超声电机将大有可为；(5)、未来豪华轿车上的电机之多可达80个，使汽车体积增加，电磁干扰增强。应用超声电机，由于不需齿轮箱从而大大降低其体积；由于超声电机不产生磁场而使汽车的电磁兼容性得到大大改善。汽车上的中央门锁、门窗玻璃的升降，前视镜和雨刮器等，均可用超声电机来代替传统的电磁电机；（6）、随着掌上计算机，可视电话电视、手提式仪器等的发展，微型超声电机将可得到广泛应用。超声电机将使这些微型仪器降低重量和体积，减少其能量损耗;（7）、由于超声电机的位置控制精

14、度很高，可达微米级甚至纳米级。超声电机将会在一些精密仪器、医疗设备以及半导体制造技术中得到广泛应用。压电材料在微小型驱动器（换能器）领域发挥着日益重要的作用，典型代表如超声电机、高精度定位器和自适应阻尼器等。应用在半导体芯片加工中的压电定位器的精度达到0111加数量级。压电减振设备被应用在空间结构和军事装备上。超声电机常见的应用如打印机、照相机和手表等。压电换能器是结构陶瓷、机械学、电机学和电子学等多学科交叉发展的产物。Williams和Brown在1948年就申请了 “压电马达”的专利（USPatent,专利号:2439499）,然而由于当时材料与技术的局限，超声电机只能是“空中楼阁”。Ar

15、changelski j （1963年）和Lavrinenko （1964年）相继发展了这种压电马达，Barth （1973年）和Vishnewski等（1975年）做出了关键技术的突破，使这种新型电机真正开始工作。因此，Sashida（1982年）能够使超声电机首次成功进入商业领域宣告超声电机进入实用阶段。1993年，由Kanazawa等改进后大量应用在Canon相机的自动调焦等系统上。近年来，各种超声电机以其独特的工作性能不断地出现在宇航飞行器、汽车电器设备、医疗器械、精密仪器、精加工设备的定位机构、机器人的关节驱动以及办公自动化设备等领域。1.L2超声电机的原理超声电机典型特性是它的两个能量转换过程，如图所示。第一阶段，利用压电陶瓷的逆压电效应将电能转化成弹性材料中质点超声频率的振动能，并在定子表面形成质点的椭圆或Lissajous运动，转换效率依赖于振子的几何性质及压电陶瓷的激励条件。振动模式主要是纵振、弯曲振动及扭振，或者它们之间的相互叠加。第二阶段，质点超声振动导致微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动，即超声振动能转化为转子的运动能。