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文檔簡介
1、<p><b> 編號</b></p><p><b> 無錫太湖學院</b></p><p><b> 畢業(yè)設計(論文)</b></p><p> 題目: 旋轉行波超聲電機結構設計 </p><p> 信機 系 機械工程及自
2、動化 專業(yè)</p><p> 學 號: </p><p> 學生姓名: </p><p> 指導教師: (職稱:副教授 )</p><p> 2013年5月25日</p><p> 無錫太湖學院本科畢業(yè)設計(論文)</p><p>&l
3、t;b> 誠 信 承 諾 書</b></p><p> 本人鄭重聲明:所呈交的畢業(yè)設計(論文) 旋轉行波超聲電機結構設計 是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果,其內(nèi)容除了在畢業(yè)設計(論文)中特別加以標注引用,表示致謝的內(nèi)容外,本畢業(yè)設計(論文)不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。</p><p> 班 級: 機械94 <
4、;/p><p> 學 號: 0923206 </p><p> 作者姓名: </p><p> 2013 年 5 月 25 日</p><p><b> 摘要</b></p><p> 超聲電機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應,激勵彈性體產(chǎn)生諧振作用,把電
5、能轉換成微米級振幅的振動,再依靠定子和轉子之間產(chǎn)生的摩擦耦合將這細微振動擴大為轉子及與之相聯(lián)的軸的旋轉運動。與傳統(tǒng)電磁電機相比,具有質量小、結構簡單、高效率、低噪音、低速大轉矩和可以直接驅動負載等特點。在航空航天、精密儀器、生物醫(yī)學與許多重要領域等具有廣闊的應用前景。</p><p> 適應于工程上對超聲電機的需要,本文設計了一種旋轉型行波超聲電機,主要完成了以下工作:</p><p>
6、 1.總結分析了國內(nèi)超聲電機技術的現(xiàn)狀、發(fā)展及所存在的問題;</p><p> 2.闡釋了旋轉行波超聲電機的運動機理;</p><p> 3.利用ANSYS軟件建立了超聲電機定子的數(shù)學模型,利用模型對定子的工作模態(tài)進行分析并計算,確定超聲電機的定子的工作模態(tài);</p><p> 4.完成了直徑超聲電機的裝配圖和零件圖的設計;</p><p
7、> 關鍵詞:超聲電機;模態(tài)分析;設計</p><p><b> Abstract</b></p><p> Ultrasonic Motor uses the effect of Piezoelectric from Piezoelectric ceramic, and it produce the effect of resonance excitati
8、on by the Active Materials. That the electrical energy transform to the micro-deformations. To propel the rotor and the drive shaft connected to it though the amplification of the micro-deformation of the active material
9、 that depends on friction at the interface between rotor and stator.The Ultrasonic Motor offer light mass, simply constructions, high torque density at low</p><p> Projects adapted to the needs of the ultra
10、sonic motor, In this paper, the design a rotary traveling wave type ultrasonic motor, the main completed the following work:</p><p> Summary analysis of the domestic status of ultrasonic motor technology,
11、development and the problems;</p><p> To explain the rotary traveling wave ultrasonic motor of the movement mechanism;</p><p> The use of ANSYS software, the establishment of a ultrasonic moto
12、r mathematical model, using the model of the work of the stator modal analysis and calculation to determine a stator ultrasonic motor mode of work;</p><p> Completed a ultrasonic motor assembly drawings and
13、 parts of the design plan;</p><p> Key word: Ultrasonic Motor ; Modal Analysis; Design</p><p><b> 目錄</b></p><p> 摘 要錯誤!未定義書簽。</p><p> AbstractIV</
14、p><p><b> 目錄V</b></p><p><b> 1 緒論1</b></p><p> 1.1 超聲電機的定義1</p><p> 1.2 超聲電機的特點1</p><p> 1.3 超聲電機的發(fā)展歷史2</p><p>
15、 1.4 超聲電機的應用及發(fā)展前景4</p><p> 1.5 本次課題的研究方向及安排4</p><p> 2 旋轉行波超聲電機的工作原理5</p><p><b> 2.1 引言5</b></p><p> 2.2 旋轉行波超聲電機的機械結構5</p><p> 2.3
16、超聲電機的工作原理5</p><p> 2.4 壓電陶瓷的工作原理6</p><p> 2.5 定子行波的產(chǎn)生7</p><p> 2.6 定子表面質點運動分析9</p><p> 2.7 本章小結11</p><p> 3 定子模態(tài)分析計算12</p><p><b
17、> 3.1 導言12</b></p><p> 3.2 固有頻率的理論計算12</p><p> 3.2.1 共振頻率計算12</p><p> 3.2.2 共振振幅的計算14</p><p> 3.3 定子建模分析15</p><p> 3.3.1 ANSYS軟件簡介15&
18、lt;/p><p> 3.3.2 ANSYS定子建模16</p><p> 3.3.3 定子分析18</p><p> 3.4 本章小結20</p><p><b> 4 結構設計22</b></p><p><b> 4.1 導言22</b></p&g
19、t;<p> 4.2 設計流程22</p><p> 4.3 定子機構設計23</p><p> 4.3.1 定子內(nèi)外徑設計24</p><p> 4.3.2 模態(tài)階數(shù)選擇和振動模態(tài)設計24</p><p> 4.3.3 定子厚度25</p><p> 4.3.4 驅動齒設計25&
20、lt;/p><p> 4.3.5 內(nèi)支撐板設計25</p><p> 4.4 轉子設計25</p><p> 4.5摩擦層設計27</p><p> 4.6 設計結果27</p><p> 4.7 電機設計結果裝配結構28</p><p> 4.8 本章小結30</p&
21、gt;<p> 5 結論與展望31</p><p> 5.1 全文主要內(nèi)容31</p><p> 5.2 工作展望31</p><p> 5.3 心得體會31</p><p><b> 致 謝32</b></p><p><b> 參考文獻33&l
22、t;/b></p><p><b> 1 緒論</b></p><p> 1.1 超聲電機的定義</p><p> 超聲電機又叫做超聲馬達。超聲電機利用壓電材料的逆壓電效應。實現(xiàn)電能對機械能的轉化。相對于傳統(tǒng)電機不同,超聲電機是利用超聲波頻率范圍內(nèi)的機械震動作為驅動源的驅動器。超聲電機的英文名為Ultrasonic motor。簡稱
23、為USM。</p><p> 1.2 超聲電機的特點</p><p> 超聲電機是一種新型的電機,它與傳統(tǒng)意義上的電機無論是在使用上還是原理上都有很大的不同。超聲電機具有以下幾個特點</p><p> 1)超聲電機的能量轉換方式不同于傳統(tǒng)電機。傳統(tǒng)的電機,如異步電機等是通過電場的相互作用醬電能轉換成機械能,電機的定子和轉子并不直接接觸,定轉子間是有間隙的。通過
24、電源供電產(chǎn)生電能,經(jīng)過定子和轉子上的線圈產(chǎn)生磁場,磁場力作用于轉子,產(chǎn)生機械能??梢钥闯鰝鹘y(tǒng)電機的機械能主要靠電磁感應作用由電能轉化而來。而超聲電機不同于傳統(tǒng)電機,超聲電機的定子和轉子是靠摩擦耦合將動力轉換成轉子或滑塊運動,定子和轉子是需要直接接觸。因為超聲電機不靠電磁感應原理來實現(xiàn)能量轉換,所以超聲電機不需要刺激和繞組。超聲電機利用逆壓電效應,在定子上粘貼上壓電陶瓷元件,同時對壓電陶瓷原件上施加交變電壓,使定子產(chǎn)生高頻機械振動,振動產(chǎn)
25、生的定子和轉子間的摩擦力使轉子做定向的回轉或直線運動。所以超聲電機存在兩種能量轉換1.壓電陶瓷利用逆壓電效應實現(xiàn)電能對機械能的轉換。2.定轉子之間摩擦產(chǎn)生的機械能轉換[1]。</p><p> 2)超聲電機具有轉速低轉矩大的特點。圖1.1和圖1.2分別為電磁電機和超聲電機的轉矩/效率-速度曲線圖。由圖可見,超聲電機在小轉矩,大轉速的情況下效率高。而在低速大轉矩的情況下效率則比較低下。</p>&l
26、t;p><b> 圖1.1圖1.2</b></p><p> 3)超聲電機具有體積較小,重量輕。超聲電機依靠定子和轉子的摩擦耦合獲得機械能,不需要線圈和磁鐵,因此相較于普通電機超聲電機在相同轉矩情況下?lián)碛休^小的體積和更輕的重量。</p><p> 4)無電磁干擾和電磁噪聲,電磁兼容性好。因為超聲電機沒有磁極,所以不收外界電磁的影響,自身也沒有電磁感應的影
27、響。因此超聲電機適合在強磁場的環(huán)境下工作。</p><p> 1)超聲電機具有耐低溫的特性,適合在真空的環(huán)境下運行,如在太空中。超聲電機的定轉子具有直接物理接觸。當斷電后,在靜摩擦力的作用下仍能保持很大力矩。</p><p> 2)結構簡單,設計形式自由度大,可以根據(jù)需要改動電機的設計</p><p> 雖然超聲電機在半個世紀來的發(fā)展下已經(jīng)具有很有傳統(tǒng)電機不具
28、有的很多優(yōu)良的性能,但是一些不足之處仍然存在</p><p> 3)超聲電機使用壽命短</p><p><b> 4)成本高昂</b></p><p> 在高溫環(huán)境下或者在長時間工作使超聲電機自身溫度上升之后,壓電陶瓷在高溫下物理特性會發(fā)生變化,影響電機的參數(shù),導致電機性能的變化。</p><p> 綜上所述,超
29、聲電機在有些地方還是有許多不足的地方,但是,不可否認的是超聲電機具有它獨有的優(yōu)越性能。而隨著科技的發(fā)展,超聲電機的部分缺點也在慢慢的被克服。因此在本次的設計中,應該做到取長補短,盡可能的把超聲電機的優(yōu)點發(fā)揮到最大,同時把超聲電機缺點影響降至最小[2-4]。</p><p> 1.3 超聲電機的發(fā)展歷史</p><p> 超聲電機的制作設計到許多領域的科學成果,包括機械,聲學,摩擦,振動
30、,等很多方面的學科及領域。超聲電機的出現(xiàn)以及發(fā)展取決于很多方面的突破,如壓電陶瓷材料的發(fā)現(xiàn)及改進。大致來說,超聲電機的發(fā)展可以分為三個階段,即超聲電機概念階段、具有實用前景的樣機階段和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應用階段。</p><p> 1880年,居里夫婦發(fā)現(xiàn)壓電效應,但是受當時的科學水平所限,對于壓電效應的應用僅僅處于一個很狹小的領域,只局限于水聲和電聲器件。20世紀40年代初,美蘇科學家同時發(fā)現(xiàn)了BaTiO3陶瓷的鐵
31、電性,這對壓電陶瓷的發(fā)展產(chǎn)生。 重要的意義。1942年,美國學者Williams和W.Brown申請了第一個超聲電機的模型專利。如圖為第一個超聲電機的模型,四片壓電陶瓷分為兩組粘貼在截面為正方形的長條彈性體的兩個側面上,對其施加兩相相位差為90º的交變電壓激勵,能夠在長條彈性體中激勵起兩個方面和頻率相同的彎曲震動,從而在彈性體端部質點做橢圓搖擺運動,此橢圓搖擺運動就可以驅動壓在其上的轉子或者移動體。此模型類似于如今的桿式超聲電
32、機。但是因為當時的技術水平已經(jīng)材料方面的問題所制約,這個模型最終沒能變成一個真正的樣機。</p><p> 圖1.3 最早的超聲電機設想模型</p><p> 在此之后,壓電陶瓷的技術革新在不斷的進行。1942年S.Robert 發(fā)現(xiàn)在BaTiO3陶瓷上施加直流偏壓,該陶瓷會呈現(xiàn)強的壓電效應。1954年賈非等發(fā)現(xiàn)PZT有良好的壓電節(jié)點性能。這些壓電材料的豐富和進步,以及科技水平的發(fā)展,
33、超聲電機的研究在這樣的環(huán)境下得到了很快的進步和提升。1961年,日本Bulova鐘表公司研制出一種新型鐘表,該鐘表利用音叉的往復位移撥動棘輪而獲得驅動。該鐘表的精確度相當高,僅有1min的月誤差。這種領先于當時科技水平的鐘表,造就了超聲電機的樣機雛形。1963年,蘇聯(lián)科學家設計出了一臺利用軸向彎曲耦合振動的振動片型超聲電機,并且由此總結解釋出了超聲電機的工作原理。1972年前后,德國西門子和日本松下兩家公司研究出了利用電諧振工作的直線驅
34、動機械,這種機械擁有高達輸完赫茲的振頻,但是卻因為振幅過小,無法發(fā)揮較大的實用價值。1987年,前蘇聯(lián)科學家研究出一種能驅動較大負載的超聲電機。這種電機是利用振動片的縱向振動和彎曲振動,再通過摩擦耦合,把機械能傳遞給轉子。</p><p> 1980年,日本科學家指田年生在蘇聯(lián)科學家的研究基礎上,成功制造出一種駐波型超聲電機。這種電機的工作頻率為27.8KHz,電壓300V,輸入功率90W,輸出功率50W,轉速
35、2000r/min,機械效率為55%。這是世界上第一臺能應用于實際中的超聲電機。但是這部電機在使用過程中磨損十分嚴重,嚴重影響電機的使用壽命。1982年,指田年生發(fā)明了行波型超聲電機,該電機此電機實現(xiàn)了斷續(xù)點接觸變換成多點連續(xù)不間斷接觸推動轉子運動,大大的降低了電機的磨損,延長了電機的壽命。1985年,指田年生在美國申請了其專利,并且闡述分析了其工作原理以及超聲電機的結構。1987年,松下公司在指田年生的設計基礎上對超聲電機的定子做出了
36、改進。擴大的定子的振幅,大大的提高了超聲電機的效率。在此之后,世界各國也發(fā)現(xiàn)了超聲電機的研究價值,如美國,英國,土耳其等國家也相繼開始加入了對超聲電機的研究。時至今日,超聲電機的研究仍在繼續(xù)。</p><p> 我國對于超聲電機的研究開始于上世紀90年代,相較于其他一些發(fā)達國家起步較晚,所以對于超聲電機的研究與其他國家仍然具有一定的差距,所以,我國需要在超聲電機方面獲得更大的成就,需要與其他國家相互學習印證,完
37、善我國在超聲電機領域的知識,爭取縮小與其他國家的差距[5]。</p><p> 1.4 超聲電機的應用及發(fā)展前景</p><p> 由上所述的超聲電機所具有的的有點,自超聲電機被研究問世以來始終在不同的進步和發(fā)展。目前超聲電機已經(jīng)被廣泛運用于很多方面,超聲電機體積小重量輕,無磁場干擾等優(yōu)點在航天航空,計算機,汽車,精密儀器等方面取得了良好的應用。如航空航天的應用,因為超聲電機具有真空工
38、作的良好性能,并且適合于精密儀器,所以美國早在太空機器人的微型儀器機械臂和微型桅桿式機械臂上等部位應用了超聲電機。在我們生活中,如醫(yī)院,影院等地方對噪聲要求低,所以窗簾的驅動元件往往應用了超聲電機。由此可見,超聲電機應用于生活中各個方面。 </p><p> 超聲電機的發(fā)展前景一樣十分廣闊,在我國,超聲電機在未來同樣可以應用在很多方面</p><p> 1) 航空航天領域。我國在航空航
39、天領域一向走在世界的前端。載人航天技術也僅次于美國與俄羅斯位列世界第三。在未來的航空航天領域中,超聲電機相對于傳統(tǒng)電機體積小重量輕以及真空環(huán)境下的良好性能將會作為航天領域電機的主要選擇。對于減少飛船的質量,增加可控性等方面都能有良好的改善</p><p> 2) 車輛上的應用。在未來的車輛發(fā)展中,一些大型的或豪華的汽車中往往會需要多達數(shù)十個電機,此時減少電機的體積和質量將變得十分必要。超聲電機具有這方面的優(yōu)勢。
40、所以,未來的汽車行業(yè),超聲電機在這方面的應用將會大有作為</p><p> 3) 磁懸浮列車的應用。磁懸浮列車上具有很強的磁場,傳統(tǒng)電機在強磁場干擾下極易失效,這時超聲電機的優(yōu)越性能將完全取代傳統(tǒng)的電磁電機。</p><p> 由于超聲電機良好的性能,他沒有電磁繞組和此路,拋棄了傳統(tǒng)電機的電磁感應產(chǎn)生能量,改用壓電陶瓷的逆壓電效應,使得其具有精度高,體積小,不受磁場影響等特點。這給了超
41、聲電機的發(fā)展一個良好的基礎,過去的短短30年間,從超聲電機開始工程實用化以來,超聲電機已經(jīng)在很多方面發(fā)揮著其作用,而未來的研究發(fā)展中,解決了超聲電機目前所存在的缺點后,超聲電機將有可能取代部分電磁電機。因此深入研究超聲電機不僅具有重要的理論價值,同樣具有重要的實際意義[6]。</p><p> 1.5 本次課題的研究方向及安排</p><p> 本次課題需要對超聲電機的結構進行設計。首
42、先需要對超聲電機起源以及目前的現(xiàn)狀和發(fā)展前景進行展望。其次將對超聲電機的工作原理進行詳細的分析模擬計算。接著將對超聲電機的原理和特點,利用解析法以及有限元分析法,對超聲電機的振動模態(tài)進行分析,提高設計出的超聲電機的可靠性。最后將對超聲電機的各部件尺寸及材料進行設計,以保證能完整的設計和生產(chǎn)出超聲電機。</p><p> 2 旋轉行波超聲電機的工作原理</p><p><b>
43、 2.1 引言</b></p><p> 行波超聲電機依靠定子產(chǎn)生的行波。并且靠定轉子之間的摩擦得到力矩,使轉子得到驅動力產(chǎn)生運動。超聲電機是一種不同于傳統(tǒng)電機的一種新型電機。因此需要對此電機進行詳盡的分析以確保設計的電機能有最好的性能。本章將對超聲電機的工作原理進行分析,為后續(xù)電機的設計做鋪墊。</p><p> 2.2 旋轉行波超聲電機的機械結構</p>
44、<p><b> 圖2.1</b></p><p> 如圖2.1所示為旋轉行波超聲電機的內(nèi)部結構展開圖。由圖可以看出,定子是由定子彈性體,內(nèi)圈以及壓電陶瓷片三部分組成。壓電陶瓷片依靠粘貼層粘貼在定子外圈上。而超聲電機主要靠定子彈性體產(chǎn)生行波,所以定子是超聲電機的主要部件。定子的設計也將是電機設計的重點。其次設計轉子,轉子需要和定子直接產(chǎn)生物理接觸從而產(chǎn)生摩擦力驅動轉子運動,所以
45、定子在設計有驅動齒的同時轉子表面需要涂覆一層摩擦材料作為摩擦層。定子和轉子的設計使本文的主要設計內(nèi)容。另外還有一些其他的部件如蝶簧,軸承以及防止定子的底座和殼體。這些部件都有其特殊的功能。這額部件的合理設計才能使得超聲電機正常完美的運轉。該電機具有體積小結構簡單,扭矩與體積比值大,輸出力矩和轉速大的特點。</p><p> 2.3 超聲電機的工作原理</p><p> 旋轉行波超聲電機
46、是目前使用最廣泛的一種超聲電機。旋轉行波超聲電機依靠定子振動產(chǎn)生行波,從而帶動轉子旋轉。如圖所示,定子斷面粘貼有A、B兩組壓電陶瓷片。當壓電陶瓷片產(chǎn)生逆壓電效應后,定子上會產(chǎn)生兩個時間和空間上相差90°的同頻率,等幅值的駐波彎曲振動,這兩個駐波在定子內(nèi)部產(chǎn)生線性疊加,形成彎曲行波。產(chǎn)生的行波會使定子表面指點做橢圓運動。定子與轉子間的摩擦耦合使得定子表面的橢圓運動帶動轉子做旋轉運動。</p><p>
47、因此,超聲電機的工作過程大致分為兩大部分:1.壓電陶瓷的逆壓電效應帶動定子的振動。2.定子質點依靠摩擦耦合帶動轉子做旋轉運動。當定子和轉子設計為圓板結構時,這種超聲電機則為旋轉行波超聲電機,如圖2.2所示。</p><p><b> 圖2-2</b></p><p> 2.4 壓電陶瓷的工作原理</p><p> 壓電陶瓷是超聲電機的核心
48、材料,是超聲電機能量轉換的關鍵部件。定子表面質點的橢圓運動來源于壓電陶瓷的逆壓電效應激勵。壓電陶瓷是超聲電機能量轉換的橋梁。所以對壓電陶瓷的了解是設計超聲電機必不可少的一部分,對于設計好超聲電機,提高電機性能有著巨大的作用</p><p> 1880年,居里夫婦發(fā)現(xiàn)了壓電效應,于是越來越多的人開始研究將壓電效應應用于工程。在20世紀40年代開始,人們開始發(fā)現(xiàn)各種具有良好的壓電性能的材料,并有效地將至運用于工程之
49、中。</p><p> (a) 極化前的電疇取向 (b) 極化后的電疇取向</p><p> 圖2.3 壓電陶瓷中的電偶極子</p><p> 壓 電 陶 瓷 本 身 是 一 種 鐵 電 體 , 在 沒 有 經(jīng) 過 極 化 之 前不 具 有 壓 電 性 。 在 微 觀 上 , 壓 電 陶 瓷 可 以 當 成 是 許 多
50、無 規(guī) 則 取 向 的 鐵 電 晶 體 構 成 的 , 如 圖 2 .3 ( a ) 所 示 。 這 種 無 規(guī) 則 的 取 向 和 微 晶 中 的 “ 電 疇 ” 結 構 , 使 得 燒 結 后 的 陶 瓷 體 在 宏 觀 上 為 各 向 同 性 的 、 不 呈 現(xiàn) 壓 電 性 。 為 了 讓 其 具 有 壓 電 性 , 就 需 要 對 其 進 行 極 化 , 即 需 在 壓 電 陶 瓷 片 上 施 加 很 高 的 直 流 極 化
51、 電 場 , 如 圖 2 .3 ( b ) 所 示 , 使 鐵 電 體 中 的 “ 電 疇 ” 的 取 向 盡 可 能 具 有 一 致 性 , 而 撤 除 該 電 場 后 , 由 于 鐵 電 晶 體 具 有 類 似 磁 滯 的 “ 電 滯 回 線 ” 特 性 , 從 而 會 使 壓 電 陶 瓷 中 仍 能 保 留 一 定 的 剩 余 電 場 。 當 在 此 剩 余 電 場 上 疊</p><p> 當 把 交
52、變 電 場 以 特 定 方 式 施 加 到 壓 電 陶 瓷 片 上 以 后 , 通 過 逆 壓 電 效 應 可 激 發(fā) 出 壓 電 陶 瓷 的 振 動 模 式 , 這 時 壓 電 陶 瓷 就 成 為 了 一 個 壓 電 振 子 。 壓 電 振 子 典 型 振 動 模 式 主 要 有 : 垂 直 于 電 場 方 向 的 長 度 伸 縮 振 動 ( 簡 稱 L E ) 、 平 行 于 電 場 方 向 的 厚 度 伸 縮 振 動 ( 簡 稱
53、T E ) , 垂 直 電 場 平 面 內(nèi) 的 平 面 切 變 振 動 ( 簡 稱 F S ) 和 平 行 于 電 場 平 面 的 厚 度 切 變 振 動 ( 簡 稱 T S ) 等 四 種 類 型 , 如 圖 2 . 4 所 示 。 設 計 壓 電 振 子 時 , 除 應 選 擇 合 適 的 壓 電 陶 瓷 材 料 之 外 , 還 要 選 擇 合 適 的 壓 電 振 子 振 動 模 式 。 其 中 , 板 式 旋 轉 行 波 超 聲
54、電 機 利 用 的 是 壓 電 陶 瓷 的 LE 模 式 的 振 動 [7] 。</p><p> 2.5 定子行波的產(chǎn)生</p><p> 圖2.5定子有限元模型</p><p> 圖2.6超聲電機A相振型</p><p> 圖2.7 超聲電機B相振型</p><p> 如 圖 2 . 6 和 圖 2 .
55、7 定 子 沿 圓 周 波 數(shù) 為 4 的 2 個 正 交 模 態(tài) 的 振 型 , 可 稱 作 A 相 和 B 相 。 A 相 振 型 和 B 相 振 型 在 空 間 上 相 差 1 / 4 個 波 長 , 相 位 相 差 9 0 ° , 所 以 為 正 交 模 態(tài) , 用 振 型 函 數(shù) ψ A ( r , θ ) 來 描 述 這 個 振 型 :</p><p> 可 得 A 相 振 型 駐 波 方
56、 程 :</p><p><b> (2.1)</b></p><p> 因為定子板為軸對稱結構,和A相振型相差任意角度的振型都振型,因此,選擇與A相振型相差,可得到B相駐波方程:</p><p><b> (2.2)</b></p><p> 根據(jù)線性波疊加原理可得:</p>
57、<p><b> ?。?.3)</b></p><p> 由式(2.3)可知,定子這時由正向行波,反向行波和駐波構成。</p><p> 當時,即A,B相同頻,等幅和空間時間上都超前時,此駐波疊加為一個正向行波:</p><p><b> (2.4)</b></p><p> 當
58、時,即A,B相同頻,等幅和空間時間上都落后時,此駐波疊加為一個反向行波:</p><p><b> ?。?.5)</b></p><p> 由此可得,定子內(nèi)的行波是基于和固有頻率的兩個正交同振型在時間上相差90°作固有振動疊加成的。所以行波的有效激發(fā)條件是空間上相差時間上也相差。由此可見,只需改變兩相駐波間激勵時差,可以輕易的改變行波方向,從而能夠實現(xiàn)超聲
59、電機的正反轉。</p><p> 2.6 定子表面質點運動分析</p><p> 行 波 的 形 成 是 超 聲 電 機 轉 子 運 動 的 能 量 來 源 ,而 為 了 了 解 行 波 在 轉 子 中 的 運 動,則 需 要 對 定 子 表 面 質 點 運 行 軌 跡 進 行 分 析 。</p><p> 對 于 帶 有 帶 內(nèi) 支 撐 板 的 環(huán) 形 定
60、子 , 因 內(nèi) 支 撐 板 較 薄 且 質 量 小 , 故 可 以 忽 略 支 撐 板 的 影 響 , 視 該 定 子 為 一 個 環(huán) 形 薄 板 。 另 外 , 考 慮 到 的 定 子 環(huán) 上 的 齒 的 寬 度 較 小 , 故 可 忽 略 定 子 環(huán) 的 運 動 沿 徑 向 的 變 化 , 用 定 子 環(huán) 的 平 均 半 徑 即 r m = ( r 1 + r 2 ) / 2 所 對 應 的 圓 周 面 上 的 行 波 來 表 示
61、定 子 的 行 波 運 動 , 這 里 , r 1 、r 2 分 別 表 示 定 子 環(huán) 的 外 徑 。 顯 然 , 中 徑 r m 對 應 的 圓 周 上 的 行 波 可 描 述 為 </p><p><b> (2.6)</b></p><p> 式 中,表 示 半 徑 為 的 圓 柱 面 上 的 彎 曲 行 波 波 幅 。 為 便 于 分 析 , 現(xiàn) 將
62、半 徑 為 的 圓 柱 面 展 開 為 矩 形 , 同 時 給 矩 形 賦 與 一 定 厚 度 ( 定 子 環(huán) 的 寬 度 ) , 這 樣 就 得 到 一 個 彈 性 </p><p> 等 截 面 直 梁 , 顯 然 圓 柱 面 和 矩 形 面 的 幾 何 對 應 關 系 為 </p><p><b> ?。?.7)</b></p><p&g
63、t; 將上式代入(2.6)后,可得</p><p><b> ?。?.8)</b></p><p> 為了方便書寫,引入記號:</p><p><b> (2.9)</b></p><p> 式中,為定子在半徑為的圓周上的行波的波長。這樣就得到了定子所對應的等截面彈性直梁的彎曲行波運動方程&
64、lt;/p><p><b> (2.10)</b></p><p> 直梁的波動狀態(tài)如圖2.8所示。下面考察彈性梁表面上的任意一個質點P。P到定子中性層的距離為。在梁未發(fā)生彎曲變形前,該質點處于P0位置。在直梁產(chǎn)生</p><p> 行波彎曲振動后的第t時刻,質點P因其所處的橫截面偏轉而從位置P0運動到P/。利用圖示幾何關系,可求得質點P在z
65、軸方向(橫向)的位移量為</p><p><b> ?。?.11)</b></p><p> 由于行波的波幅遠小于行波波長,所以梁的截面的偏轉角非常小,故可認為,這樣有</p><p><b> ?。?.12)</b></p><p> 可以看出,質點P在x軸方向上的位移為</p>
66、<p><b> (2.13)</b></p><p> 同樣,利用圖2.12中的幾何關系,可得到梁的彎曲而造成的截面偏角為</p><p><b> ?。?.14)</b></p><p> 式(2.14)代入(2.13)后,可得到質點P的縱向位移</p><p><b&g
67、t; ?。?.15)</b></p><p> 結合考慮(2.12)和(2.13),可推得彈性直梁表面質點的運動軌跡為</p><p><b> (2.16)</b></p><p> 根據(jù)(2.7),將上述運動方程映射到圓周面內(nèi),得到定子環(huán)表面質點的運動方程為</p><p><b> ?。?/p>
68、2.17)</b></p><p> 由(2.17)可 知,此 式 符 合 橢 圓 的 標 準 方 程,因 此 定 子 端 面 上 任 意一 點 都 作 橢 圓 軌 跡 運 動。由 于 產(chǎn) 生 了 橢 圓 運 動。因 此,在 預 壓 力 的 作 用 下,定 子 表 面 各 質 點 會 對 1轉 子 產(chǎn) 生 摩 擦 驅 動 力 而 推 動 轉 子 轉 動,而 且 轉 子 的 轉 動 方 向 將 與
69、行 波 傳 播 的 方 向 相 反,這 就 是 行 波 超 聲 電 機 的 運 動 傳 遞 機 理 。從 定 子 表 面 質 點 的 運 動 方 程 可 以 看 出:當 利 用 壓 電 陶 瓷 的 逆 壓 電 效 應 在 彈 性 體 上 激 勵 出 了 時 間 上、空 間 上 各 相 差的 兩 個 同 頻 率 等 幅 值 的 駐 波 時,經(jīng) 過 線 性 疊 加 后,形 成了 行 波,使 得 定 子 表 面 質 點 產(chǎn) 生 橢 圓 運 動
70、,其 橢 圓 軌 跡 的 長 短 軸 之 比 為或 者。</p><p><b> 2.7 本章小結</b></p><p> 本章主要對超聲電機的工作原理和結構進行分析,分析了壓電陶瓷,定子,轉子之間的關系和作用。同時對定子內(nèi)行波產(chǎn)生的過程及條件進行了分析。并且分析了定子表面質點的運動軌跡,得到定子表面質點的軌跡方程,為后面的設計做好鋪墊。保證后續(xù)的設計能夠更加
71、合理。</p><p> 3 定子模態(tài)分析計算</p><p><b> 3.1 導言</b></p><p> 目前的超聲電機定子上大多都加工了驅動齒。長期的試驗證明,驅動齒可以提高定子的表面振幅和運動速度,使超聲電機的工作效率大大提高。因為驅動齒的緣故,使用解析法求解工作模態(tài)和固有頻率難度較大,使用傳統(tǒng)方法簡化求解后,結果與實際誤差較
72、大。因此可采用有限元分析法進行有限元分析??刹捎糜邢拊治鲕浖Χㄗ舆M行固有頻率模擬,再與理論計算值作對比,驗證固有頻率設計的合理性。這些分析結果將為后續(xù)的設計做鋪墊,使設計出的電機更加科學合理。</p><p> 3.2 固有頻率的理論計算</p><p> 3.2.1 共振頻率計算</p><p> 圖3-1為超聲電機定子結構三維圖。其中,驅動齒在計算過程
73、中暫時忽略,簡化為無齒定子,如圖3.2所示</p><p> 圖3.1 定子三維結構圖</p><p> 圖3.2 定子簡化圖</p><p> 假 設 z 方 向 的 撓 曲 位 移 為 ω , 應 用 n 次 B e s e l 函 數(shù) J n 、Y n 、 I n 、 K n 及 其 系 數(shù) A n 、 B n 、 C n 、 Dn , 根 據(jù) 式 (
74、2 – 9 ) ~ ( 2 – 1 1 ) , ω 可 表 示 為 </p><p><b> ?。?.1)</b></p><p> 其中振動常數(shù)為,滿足</p><p><b> ?。?.2)</b></p><p> 其 中 , E 為 材 料 的 楊 氏 模 量 ;γ 為 柏 松 比 ;
75、 m 為 單 位長 度 的 平 均 質 量 , 即 , ρ 為 材 料 的 密 度 ; I J 為 橫 截 面 的 二 次 慣 性 矩 , 即, a 為 截 面 寬 度 ; h 為 壓 電 振 子 的 厚 度 , 即。</p><p> 在式(3.1)和式(3.2)中,、、、、為與內(nèi)徑和外徑等變量相關的系數(shù),由邊界條件確定。對于不同的,存在、、…分別對應于半徑方向不同節(jié)圓數(shù)的振動模態(tài)。對于的振動模態(tài),由前面的式
76、(3.2),可得圓環(huán)的共振頻率為</p><p><b> (3.3)</b></p><p> 由 圖 3. 1 ( a ) 可 以 看 到 金 屬 圓 環(huán) 中 開 的 尺 槽 , 這 是 為了 放 大 共 振 振 幅 和 減 小 剛 度 , 為 了 便 于 研 究 有 齒 定 子 特 性 , 將 圖 3 . 1 ( a ) 所 示 的 環(huán) 形 超 聲 電 機
77、的 定 子 展 開 復 合 梁 如 圖 3 . 2 所 示 。 考 慮 到 復 合 梁 是 壓 電 陶 瓷 及 金 屬 梁 組 成 , 在 金 屬 梁 的 上 面 有 齒 槽 。 所 以 直 梁 的 共 振 頻 率 計 算 公 式 需 要 做 一 些 適 當 的 修 改 。 由 梁 的 彎 曲 理 論 可 知 , 在 中 性 層 上 所 用 正 應 力 為 零 。 根 據(jù) 此 條 件 就 可 以 確 定 中 性 層 及 中 性 軸 的
78、位 置 。</p><p> 在圖3.3中,為壓電陶瓷厚度,為金屬梁厚度,為齒高,為齒寬,為梁寬。設金屬梁和壓電陶瓷的彈性模量為、,從壓電陶瓷底部至中性層距離為。由于在中性層上所有正應力為零,可得下式</p><p><b> (3.4)</b></p><p> 式中,、為金屬梁和壓電片的應變,根據(jù)上式可以得到:</p>
79、<p><b> ?。?.5)</b></p><p> 又因為復合梁的等效剛度為</p><p><b> ?。?.6)</b></p><p> 式中,,為相對于中性層的慣性矩,即</p><p><b> ?。?.7)</b></p><
80、p> 備注:式中被積分量z是從中性軸算起。</p><p><b> 復合梁的平均密度為</b></p><p><b> ?。?.8)</b></p><p><b> 也可以表示為</b></p><p><b> (3.9)</b>&l
81、t;/p><p> 由以上各式整理得:復合梁的共振頻率的計算公式為</p><p><b> ?。?.10)</b></p><p> 式中,L為金屬梁的長度[8]。</p><p> 3.2.2 共振振幅的計算</p><p> 由 第 二 章 中 的 超 聲 電 機 的 工 作 原 理 可
82、 知 : 超 聲 電 機的 定 子 振 動 是 由 壓 電 陶 瓷 受 到 電 壓 的 激 勵 產(chǎn) 生 的 。 當 在 z 方 向 激 勵 壓 電 陶 瓷 片 時 , 由 于 逆 壓 電 效 應 , 可 在 x 方 向 產(chǎn) 生 應 變 , 此 應 變 對 定 子 施 加 彎 曲 力 矩 , 從 而 使 定 子 產(chǎn) 生 彈 性 撓 曲 。 定 子 在 諧 振 時 的 彈 性 撓 曲 , 即 定 子 的 振 幅 , 可 以 用 動 態(tài) 放
83、大 系 數(shù) 以 靜 態(tài) 彈 性 撓 曲 量 來 求 得 。</p><p> 圖3.4 等效簡支復合梁 圖3.5復合梁的彎曲分析單元</p><p> 圖 3 . 3 中 是 為 環(huán) 形 行 波 超 聲 電 機 定 子 展 開 而 成 的 等 效 簡 支 復 合 梁 。 其 中 , 梁 的 長 度 為 波 長 的 一 半 , 即 L = 0 . 5
84、λ ; 壓 電 陶 瓷 的 厚 度 為 h p ; 金 屬 梁 的 厚 度 為 h s ; 底 部 到 中 性 層 距 離 為 g 。 </p><p> 假 設 壓 電 陶 瓷 的 極 化 方 向 為 z 的 正 方 向 , 當 沿 z 的 正 方 向 施 加 電 壓 , 壓 電 陶 瓷 將 會 在 z 方 向 上 產(chǎn) 生 彈 性 擴 張 , 并 且 會 在 x 方 向 產(chǎn) 生 彈 性 收 縮 , 由 此 引
85、 起 復 合 梁 向 上 撓 曲 。 根 據(jù) 彈 性 動 力 學 可 知 , 在 一 定 的 邊 界 條 件 下 , 可 以 通 過 分 析 應 力 與 應 變 的 關 系 確 定 梁 的 彎 曲 曲 率 。 根 據(jù) 這 點 , 就 可 以 確 定 在 等 效 簡 支 復 合 梁 的 最 大 偏 移 量 。 圖 3 . 5 為 復 合 梁 的 彎 曲 分 析 單 元 。 從 圖 上 可 以 知 道 , 當 應 力 T 1 ( z ) 作
86、 用 于 梁的x方向,梁的彎曲曲率半徑為,沿著無應力中性面(圖3.4中的虛線)的 微 小 弧 長 為 d s , 則 有 :</p><p><b> ?。?.11)</b></p><p> 當 梁 的 彎 曲 角 度 小 于 5 ° 時 , 有</p><p><b> ?。?.12)</b></p&
87、gt;<p> 式中,為梁變形前中性層的微小單位;為梁的撓曲幅值。</p><p> 設為x方向上產(chǎn)生的應變,其表達式為:</p><p><b> ?。?.13)</b></p><p> 由 力 矩 平 衡 可 知 : 由 于 無 外 力 矩 作 用 于 梁 上 , 應 力函 數(shù) 與 力 臂 相 乘 后 沿 等 直 梁剖
88、 面 的 積 分 為 零 , 即 :</p><p><b> (3.14)</b></p><p> 利 用 環(huán) 形 行 波 超 聲 電 機 定 子金 屬 體 和 壓電 陶 瓷 中 應 力— 應 變 關 系 及 簡 支 梁 的 邊 界 條 件 ,可 由 上 式 導 出 簡 支 梁 在 中 點 處 的 最 大 位 移 ω m a x 。 用 簡 支 梁 的 最 大
89、 橫 向 位 移 ω m a x 乘 以 諧 振 時 的 品 質 因 子 Q b 即 為 簡 支 梁 的 諧 振 振 幅 ω A m a x , 也 就 是 環(huán) 形 行 波 超 聲 電 機 定 子 的 振 幅 。</p><p><b> ?。?.15)</b></p><p> 在上式中, ,、分別為定子金屬體和壓電陶瓷的剛度常數(shù);壓電陶瓷的品質因子, 為壓電常數(shù)
90、,為定子環(huán)平均半徑,為定子環(huán)振動模態(tài)階數(shù),為電場強度[9]。</p><p> 3.3 定子建模分析</p><p> 3.3.1 ANSYS軟件簡介</p><p> 有限元分析是計算機輔助分析軟件(CAE),ANSYS是有限元分析軟件中功能比較強大的一款。ANSYS包涵用途廣泛,包括可以進行流體力學,機構力學,結構動力學等各方面的分析。ANSYS同時包涵
91、一個多用途的有限元計算機設計程序,能夠求解電磁場,結構,流體等問題。因此在航天航空,電子產(chǎn)品,橋梁,汽車,建筑等領域應用廣泛。</p><p> ANSYS軟件有三個組成部分:前期處理模塊,分析計算模塊以及后期處理模塊。前期處理模塊主要用于對所要進行分析的產(chǎn)品進行定義,如定義網(wǎng)格,坐標,材料等數(shù)據(jù)。分析計算模塊用于對所要進行求解的模型進行機構分析,然后對模型進行模擬、分析,最后通過求解器進行求解。后期處理模塊式
92、用于對分析計算模塊所得的結果進行再次計算,包括位移、速度、熱流等。</p><p> 使用ANSYS做模態(tài)分析是,基本步驟如圖3.6所示。</p><p> 圖3.6 ANSYS模態(tài)分析基本步驟</p><p> 3.3.2 ANSYS定子建模</p><p> 3.3.2.1 建立實體模型</p><p>
93、 采用U G5.0三維建模軟件,對定子進行建模。模型比例按1:1建立,如圖3.7所示</p><p> 圖3.7 定子三維模型</p><p> 3.3.2.2 使用ANSYS14.0中的WorkBench做定子的模態(tài)分析</p><p> 圖3.8 Modal模塊創(chuàng)建</p><p> 1) 運行Workbench 14.0工具,打
94、開Toolbox工具箱,使用其中的Modal命令創(chuàng)建分析項目。如圖3.8所示。</p><p> 2) 導入UG 5.0所建立的三維模型,經(jīng)檢測,.stp文件最為便捷。所以使用UG把生成的三維模型保存為stp文件。在Workbench中選擇Geometry導入三維模型。劃分網(wǎng)格模型 。如圖3.9,3.10所示</p><p> 圖3.9定子三維模型導入</p><p
95、> 圖3.10 定子模型網(wǎng)格劃分</p><p> 3) 導入完成后確定以超聲電機振子做研究對象,確定壓電陶瓷、摩擦材料、定子彈性體三者間的剛性連接,設置各材料的各項參數(shù)。如圖。表3-1為材料的各項參數(shù)。</p><p> 表3-1 定子材料參數(shù)</p><p> 3.3.3 定子分析</p><p> 完 成 上 述 設
96、置 后 , 進 行 分 析 運 算 。 得 到 的 結 果 如 圖所 示 , 其 中 , 結 果 包 含 波 的 波 束 , 振 動 頻 率 。 圖 中 各 圖 都 是 定 子 A , B 兩 種 振 型 的 各 種 振 型 。 而 定 子 的 穩(wěn) 定 旋 轉 運 行 , 需 要 達 到 以 下 條 件 : ① 超 聲 電 機 的 工 作 原 理 決 定 了 超 聲 電 機 的 頻 率 需 要 大 于 2 0 K H z , 這 需 要
97、 4 個 以 上 彎 曲 波 形 。 因 此 波 型 數(shù) 選 擇 8 , 9 , 1 0 以 及 1 0 以 上 的 波 型 。 因 為 后 續(xù) 設 計 需 要 的 是 單 一 壓 電 環(huán) , 兩 相 激 勵 的 板 式 環(huán) 形 波 超 聲 電 機 , 所 以 定 子 的 寬 度 要 比 電 機 外 殼 要 小 很 多 , 所 以 選 擇 無 節(jié) 圓 的 B 0 n 模 態(tài) 。 同 時 因 為 A , B 需 要 兩 性 對 稱 , 所
98、 以 波 形 數(shù) 為 奇 數(shù) 。 經(jīng) 篩 選 確 定 工 作 模 態(tài) 為 B0 9 。</p><p> (a) 模態(tài)的頻率FREQ=29745Hz</p><p> (b) 模態(tài)的頻率FREQ=29761Hz</p><p> (c) 模態(tài)的頻率FREQ=36457Hz</p><p> (d) 模態(tài)的頻率FREQ=36470Hz&
99、lt;/p><p> (e) 模態(tài)的頻率FREQ=43471Hz</p><p> (f) 模態(tài)的頻率FREQ=43471Hz</p><p> 圖3.11 模擬仿真所得到振型</p><p> 進行模態(tài)分析目的是確定電機的共振頻率,振動模態(tài)以及共振振型。把得出的模擬結果與前面計算的理論結果做對比,根據(jù)兩者間的差值對電機的尺寸以及有管結
100、構進行調(diào)整設計。在設計初期這是十分關鍵的一部分,他能對超聲電機的重要尺寸和結構調(diào)整和確定。模態(tài)分析完成后,還需要確定諧響應分析的頻率范圍和諧響應的分析。在對寫相應分析的過程中,能夠求出某節(jié)點在某個頻率下的振幅,這個振幅是一個絕對值,這與模態(tài)分析中的振幅不相同,模態(tài)分析中的振幅是一個相對值。最后以得到的分析結果對電機結構做出修改,優(yōu)化電機設計,達到電機性能最優(yōu)化的效果[10]。</p><p><b>
101、 3.4 本章小結</b></p><p> 本章通過對超聲電機做模態(tài)分析,從理論計算到模擬分析,通過分析計算,得到定子的固有頻率和振幅的理論數(shù)值。利用ANSYS軟件進行有限元分析通過模擬測試得到實際值。理論值和實際值做了對比后對電機的結構尺寸進行優(yōu)化設計,為后續(xù)的設計做好鋪墊。</p><p><b> 4 結構設計</b></p>&
102、lt;p><b> 4.1 導言</b></p><p> 超聲電機從上世紀50年代發(fā)展至今,出現(xiàn)過各種各樣的結構。目前來說,超聲電機的結構并沒有一個絕對的標準,對于超聲電機的結構可以按照實際情況以及過往的經(jīng)驗來設計。最后通過實際試驗調(diào)試,對電機的結構以及材料進行更進一步的調(diào)整,最終達到最好的工作狀態(tài)。</p><p><b> 4.2 設計流程
103、</b></p><p> 超聲電機的設計過程與大部分機械設計過程一樣,有以下四個階段(圖5-1為設計流程圖)。</p><p> 1) 了解用戶需要,根據(jù)用戶提出的要求,確定超聲電機的各項性能指標。主要包括:額定扭矩、輸出功率以及轉速,電機的尺寸結構,輸入電壓,使用壽命等。當超聲電機需要在一些特殊的環(huán)境下進行運轉時,還需要考慮特殊環(huán)境下的特殊要求,如:無電磁干擾,真空環(huán)境
104、下運作等。</p><p> 2) 確定各零部件的材料和尺寸等技術參數(shù)。,定子是行波超聲電機的核心部件,所以在尺寸確定的過程中定子的材料和尺寸結構是首先要確定的。尺寸確定之后,需要對定子進行動態(tài)特性分析。同時針對定子的工作環(huán)境,分析其工作環(huán)境對其的影響。定子的設計完成后設計轉子。接著根據(jù)已經(jīng)設計好的定子和轉子的參數(shù)對超聲電機進行性能仿真,對比結果能否滿足超聲電機所要求的各項性能指標。若能,則進行下一步的設計工作
105、。若不能,則對前面的設計進行修改和完善,直到超聲電機能達到各項指標。</p><p> 3) 根據(jù)設計完善好的方案,確定超聲電機的最終零件尺寸,繪制出零件圖并且進行加工。加工好后對電機進行試驗調(diào)試,將實驗結果與前面設計時的預計性能指標作對比。根據(jù)結果來確定方案是否合理。</p><p> 圖4.1超聲電機設計流程圖</p><p> 4.3 定子機構設計<
106、;/p><p> 定子的結構主要包括定子內(nèi)外徑,定子齒,粘結層,以及定子厚度的設計。定子是超聲電機的核心部件,定子的設計對于整個電機能否達到性能要求至關重要。經(jīng)實驗研究,電機的尺寸和性能存在一定的比例效應。表4-1為相同直徑下,超聲電機的尺寸和性能間的關系。由表中的比例因子可估算出其性能。</p><p> 由表4-1可得: </p><p> 表 4-1
107、 超聲電機尺寸參數(shù)</p><p> 4.3.1 定子內(nèi)外徑設計</p><p> 由表4-1所得的超聲電機各項參數(shù)見的比例關系,參考目前已有上超聲電機的性能以及外形,獲得定子外形的大概尺寸R外。其中壓電陶瓷的外形尺寸與定子的外形尺寸相同以方便壓電陶瓷粘貼在定子上。所以根據(jù)壓電陶瓷的內(nèi)徑大小可以確定定子的內(nèi)徑大小。當壓電陶瓷的內(nèi)外徑之比在7:10左右時,壓電振子的自由振動能量損耗最小,
108、由此可得定子的內(nèi)外徑之比為7:10。則</p><p><b> ?。?.1)</b></p><p> 由超聲電機的設計要可得,定子外徑。由上式可得定子的內(nèi)徑。與傳統(tǒng)電機定子設計相同進行尺寸標準化,所得尺寸一般選取0或5作為個位,故此定子內(nèi)徑</p><p> 4.3.2 模態(tài)階數(shù)選擇和振動模態(tài)設計</p><p>
109、; 定子的振動模態(tài)選擇主要依據(jù)以下三個方面</p><p> 1) 因為定子驅動相對稱,所以定子必須是奇數(shù)模態(tài)。定子采用單壓電雙相。若為偶數(shù)模態(tài),則會破壞對稱性,使波形出現(xiàn)偏差。</p><p> 2) 因為電機是超聲電機,所以定子的頻率必須在20KHz以上</p><p><b> 3) 定子振動壽命</b></p>&
110、lt;p> 超聲電機的正常運作決定了定子必須要有一定振幅值,考慮定子模態(tài)階數(shù)的選擇可以基本取決于定子振動壽命和電壓激勵效果。QP減小。而要維持定子最大振幅恒定,則需要增加激勵電場強度,這又增加了壓電陶瓷使用中的循環(huán)應力,加劇了壓電陶瓷的損耗,使使用壽命降低。所以定子的振動模態(tài)階數(shù)與半徑能有一個恒定的比例,使行波波長為能保持恒定。</p><p> 因此,定子振動模態(tài)階數(shù)應按以下兩點原則進行選擇:1.定子
111、振動模態(tài)數(shù)變化比例小于半徑變化比例。同時應保證振動的損耗值達到最小。故根據(jù)第三章的ANSYS分析結果可確定工作模態(tài)為B09.</p><p> 4.3.3 定子厚度</p><p> 對于定子的使用材料,可采用青銅或者不銹鋼來進行加工制作。定子的厚度可以決定定子在其振動模態(tài)下的振動頻率。因為電機的工作需要定子的振動頻率為20KHz以上。同時,驅動齒的設計使定子振動頻率會有一定的降低。故
112、暫定定子的頻率為45KHz以上。因此,定子的厚度為5mm</p><p> 4.3.4 驅動齒設計</p><p> 驅動齒的作用是為了提高定子表面振幅和運動速度,通過驅動齒設計,使定子和轉子間產(chǎn)生齒輪驅動,使工作效率更加提高。同時,部分摩擦時產(chǎn)生的雜物可以通過齒槽排除,使定子和轉子在使用過程中不會因雜物而損壞或影響效率。因此,下面將對定子齒的齒寬,齒高以及齒數(shù)進行設計。</p&
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