毕业设计圆柱形驻波超声电机的结构设计

毕业设计（论文）论文题目圆柱形驻波超声电机的结构设计学生姓名学号所在院系专业班级机械设计制造及其自动化导师姓名职称完成日期摘要超声电机（USM）是基于由机械振动激发定子通过压电陶瓷的影响驱动转子的概念。其基本工作原理是定子中的机械振动能够在转子的界面上产生椭圆运动。本文中对于一种采用弯曲振动换能器的圆柱形驻波超声波电机的分析步骤如下：首先，介绍了圆柱形驻波超声电机的工作原理、结构特点及应用，并对圆柱形驻波超声电机以及定子和转子接触模型的研究现状分别进行了阐述。其次，进行了对圆柱形驻波超声电机的结构设计，得出了超声电机的装配图和零件图，并且深入研究了其运行机理，对压电陶瓷的逆压电效应，压电参数，压电方程和振动模态做出介绍，并讲解了定子运动方程。最后，把直径为80mm的超声电机定子做为研究对象，用ANSYS16.0有限元软件对其进行了模态分析，进一步了解了定子的振动情况。关键词:直线超声电机；双转子；结构设计；模态分析TheStructureoftheCylinderofaStandingWaveUltrasonicMotorDesignAbstractUltrasonicmotor(unsharpmask)isbasedonthemechanicalvibrationexcitationofthestatorthroughtheinfluenceofthepiezoelectricceramicsdriverrotorconcept.Thebasicprincipleofworkismechanicalvibrationofthestatortotherotorontheinterfaceofgenerateellipticalmotion.Inthispaper,amethodfortheanalysisofacylindricalstandingwaveultrasonicmotorusingaflexuralvibrationtransducerisdescribedasfollows:Firstly,theworkingprinciple,structurecharacteristicsandapplicationofthecylindricalstandingwaveultrasonicmotorareintroduced,andtheresearchstatusofthecylindricalstandingwaveultrasonicmotorandthecontactmodelofstatorandrotorareexpoundedrespectively.Secondly,thestructuredesignofcylindricalultrasonicmotor,theultrasonicmotorassemblydrawingandpartsdrawing,andmakesadeepresearchontheoperationmechanismoftheinversepiezoelectriceffectofpiezoelectricceramics,piezoelectricparameters,piezoelectricequationandvibrationmodetomakeapresentation,andexplainedthestatormotionequation.Finally,theultrasonicmotorstatorwith80mmdiameteristakenastheobjectofstudy,andthemodalanalysisiscarriedoutbyusingtheANSYS16.0finiteelementsoftwaretofurtherunderstandthevibrationofthestator.Keywords:linearultrasonicmotor;Doublerotor;Structuredesign;Themodalanalysis目录1绪论.................................................11.1引言....................................................11.2超声电机的特点..........................................11.2.1能量转换..............................................11.3超声电机的应用..........................................22超声电机工作原理......................................32.1引言....................................................32.2电机结构及工作原理......................................32.3压电效应及压电方程......................................32.4超声波电机的运动和动力传递..............................63定子的有限元分析.....................................103.1引言...................................................103.2定子的模态分析.........................................104圆柱形驻波超声波电机设计.............................134.1定子结构参数...........................................134.2转子结构参数...........................................134.3圆柱形驻波超声超声电机的装配...........................135结论..................................................15参考文献...............................................16致谢....................................................17附录...................................................271绪论1.1引言超声电机(Ultrasonicmotor,USM)因为使用的激振原件是压电陶瓷，是利用压电材料的逆压电效应，将材料的微观变形通过机械共振放大和摩擦耦合转换成转子的宏观运动的新型驱动器。因其工作环境多数在超声以上频率，所以称为超声电机。经过科技的日新月异，在各方面已经很难再有大发展。所以在上世纪50年代就有专家提出利用弹性体的振动进行驱动，随着人们的不断探索与实验，在上世纪80年代超声电机开始进入实用化，1980～1982年，日本学者指田年生成功研制出一种驻波型超声电机，其打破了由电磁效应获得转速和转矩的传统电机的概念，将电机的发展带入到了一个全新的领域。直线超声电机是采取压电材料的逆压电压电效应，在航空的电机微型化、武器装备信息化的方面有了广阔的前景。当前，直线超声电机的研究方向主要是低速大力矩输出，保持力矩大，起停控制性好实现直接驱动。不受电磁干扰，可以精准定位等等优点。由此设计了一种新型的圆柱形驻波超声电机，使用ANSYS软件仿真计算研究目标在于了解非接触式超声电机的驱动机理，通过对所设计定子进行有限元分析，得到合适的定子尺寸，从而设计出其他组成结构。1.2超声电机的特点1.2.1能量转换传统电机主要靠电磁感应作用将电能转换为机械能。电源供电产生的电能，经过定子和转子上的线圈产生磁场，磁场力再作用于转子，从而产生机械能。原理是电机的定子和转子不直接接触，定和转子间存在一定的间隙。超声电机的两种转换：压电陶瓷可以将电能变成机械能；机械能在定转子之间摩擦力作用下产生。超声电机利用逆压电效应，压电陶瓷元件粘贴在定子上，将交变电压实施在压电陶瓷元件上，定子会产生高频机械振动，转子在振动产生的定子和转子间的摩擦力作用下做定向的回转或直线运动。因此定子和转子直接接触。1.2.2转速低转矩大图1-1和图1-2分别为直流电机和超声电机的转矩-转速，效率-转速曲线图。如图表明，直流电机的最大效率出现在小转矩高速时，而超声电机最大效率出现在低速大转矩。因此直流、超声电机适合高速、低速运转。图1-1电磁电机转矩/效率-转速曲线1-2超声电机转矩/效率-转速曲线1.2.3体积小，重量轻，不受电磁影响由于在相同转矩条件下，超声电机没有线圈和磁铁，因此比传统电机的体积要小，重量更轻。并且超声电机不具备磁极，自身不受电磁感应的影响，不会超生干扰。1.2.4耐低温、无输入自锁超声电机由于定子和转子直接接触，断电后，静摩擦力仍能使其保持很大力矩。结构简单，设计形式灵活，易于多样化、小型化的实现，但存在成本高昂，使用寿命短的缺陷。1.3超声电机的应用超声电机具有广阔的应用前景，并且已经在许多高科技领域如：计算机、航空航天、汽车的精密部件等领域得到了应用。如图1-3所示。当今国内外已经有很多公司的产品都研发制作了超声电机，如新生公司，日本的佳能公司，以色列的NANOMOTION公司等，都将超声电机应用到了自己的产品中，如钟表中的日历翻转功能，照相机对焦，精密定位装置和随动系统，机器人中驱动机械臂的部件等。国内超声电机的研究发展迅速，南京航空航天大学研究的系列超声电机及其应用分别如下图1-4,1.4.2定转子接触模型的发展现状近些年来，国内外的专家学者们对超声电机定转子接触模型进行了研究，目前对超声电机分析的方法主要有有限元法、解析法和等效电路法三种。本文主要使用有限元法进行分析。最早，人们用有限元方法对超声电机定子和转子间的接触情况进行了研究，后来又使用激光多普勒仪测量计算了定转子接触区域的动态切向法向位移和速度，得到的实验结果和有限元分析法得到的结果基本相符，从而验证了有限元分析法的可靠性。周盛强等人采用点接触单元，用ANSYS软件建立了超声电机定转子接触模型，并对电机正常工作时接触界面的时域和空间域进行分析，得到了对定子的模态力接触界面的动力输出特性。有限元法是利用有限元分析软件根据超声电机实际工作状态建立定转子接触模型，再通过施加适合的载荷及约束，模拟出定转子间接触状态和定子的振动形式。通过有限元方法得出的结果与实际较为相仿，可是时间却过长。解析法是最早研究超声电机接触模型使用的方法之一，克希霍夫薄板理论、汉密尔顿原理都是最早研究的基本原理。分析定子的振动情况首先需要定义定子的压电矩阵、介电矩阵和刚度矩阵，其次建立定转子接触模型，接下来就可以分析转子的运动状况，超声电机的运动随即可进行分析。解析法能相当明确的指明部分问题，但是数学模型太复杂，所以为了减轻运算量在分析时需要忽略个别因素带来的影响，故这种方法分析的问题并不全面。等效电路法，求解电机的接触模型，得到能反映转子实际运动的等效电路模型。通过等效电路模型分析研究得出了摩擦层及负载对超声电机转子速度的影响。颜佳佳简化了使用的等效电路模型，使物理量更为清晰，反映出摩擦环节和负载力矩对转子转速的影响。等效电路的基础是网络和实验研究，方法相对简单，计算时间短，但不能反映出超声电机某些局部的物理特性。2圆柱形驻波超声波电机工作原理2.1引言目前照相机镜头的多用自动对焦系统、汽车的零部件以及机器人关节驱动系统中，传统超声电机已经成为一种重要的执行器被使用。然而超声电机结构紧凑、体积小、低功耗等优点于这些领域中展现了优势；然而，传统的超声电机在很多领域中有很多不足和缺陷如不能提供足够大的转矩。本文在