毕业设计基于兰杰文振子结构的超声电机设计

毕业设计（论文）论文题目基于兰杰文振子结构的超声电机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是一种全新概念的电机。它的工作原理是利用压电元件的逆压电效应，激发弹性体在高频段产生微级振动，并通过定子与转子的配合将其转换成转子的旋转或直线运动。它与计算机，自动控制等方面完美结合，广泛应用于工业之中，甚至现在在家庭生活中也被广泛应用。但是随着科学技术的发展，对精密定位系统具有更高的要求，越来越多的驱动电机被研发出来，用于满足各种需求。本文提出一种新型的压电螺纹电机。它的定子采用兰杰文振子结构设计，实现螺杆的直线运动。采用兰杰文振子结构的压电螺纹驱动电机（简称兰杰文电机）在同样的输入电压下可以提供更大的轴向输出力。并且提高了电机的精度和输出效率。为了满足工程研究的需要，本文设计了一种兰杰文电机，主要分析完成以下工作：1.首先总结国内外超声电机的发展历程和目前所处情况。了解其发展历程，对其基本原理有一定的了解。2.研究了解压电陶瓷发展历程及特性，并选定本设计所需压电陶瓷。3.介绍兰杰文电机的工作原理。4.利用ANSYS对定子的工作模态进行分析与计算,确定其工作频率。5.最后完成电机的装配图和零件图的设计。关键词：超声电机；模态分析；兰杰文UltrasonicmotorsbasedonLangevin-vibratorstructureAbstractTheultrasonicmotorutilizestheinversepiezoelectriceffectofpiezoelectricceramics,stimulatestheelasticbodytoproduceresonance,convertstheelectricenergyintothemicronamplitude,andexpandsthetinyvibrationtotherotatingmotionoftherotorandtheshaftconnectedtoitbythefrictioncouplingbetweenthestatorandtherotor.Becauseofthesecharacteristics,itisappliedinvariousfields,includingaerospace,precisionmachining,roboticsandotherfields.Butwiththedevelopmentofscienceandtechnology,moreandmoreprecisepositioningsystemhashigherrequirements,moreandmoredrivemotorsaredevelopedtomeetvariousneeds.Inthispaper,anewtypeofpiezoelectricscrewdriverisproposed,thestatoradoptstheLangevinWenZhenzistructuredesign,andthescrewrodisusedwithscrewandthreadtoachievelinearmotion.UsingtheLangevinWenVibratorstructureofthescrew-drivenmotor(hereinafterreferredtoastheLangevinmotorcanprovidemorefood,axialoutputpowerunderthesameinputvoltage,andthescrewstructurewillenlargetheoutputforceofthedriveandimprovetheprecision,whichcanbeappliedtotheinstrumentofhighmeasuringprecisionsuchasmicro-movingstation.Adaptedtotheengineeringneeds,thispaperdesignsaLangenvinmotor,themainanalysiscompletesthefollowingwork:1.Systematicallysummarizethedevelopmenthistoryandsignificanceofultrasonicmotorsathomeandabroad,andunderstanditsdevelopmentprocess.Haveacertainunderstandingofitsbasicprinciples.2.Studyonthedevelopmentprocessandcharacteristicsofpiezoelectricceramics,andselectthedesignoftherequiredpiezoelectricceramics3.TheworkingprincipleofLangevinMotorsisintroduced4.UsingtheANSYS15.0softwaretoestablishthemodel,theworkingmodeofthestatorisanalyzedandcalculated,anditsworkingstateisdetermined.5.Completestheultrasonicmotorassemblydrawingandthepartdrawingdesign.Keywords:ultrasonicmotors;modalanalysis;Langevin目录1绪论...................................................................................................61.1引言.......................................................................................................61.2超声电机基本工作原理.......................................................................61.3超声电机的特点和应用.......................................................................71.4超声电机未来的展望...........................................................................71.5本文研究主要内容...............................................................................72兰杰文电机工作原理...........................................................................32.1引言.......................................................................................................82.2兰杰文振子基本结构...........................................................................82.3电机基本结构.......................................................................................82.4超声波电机基本工作原理....................................................................42.5压电陶瓷的发展与应用.......................................................................53振子的有限元分析..............................................................................113.1引言.....................................................................................................113.2振子的建模分析.................................................................................114电机的结构设计..................................................................................174.1引言.....................................................................................................174.2电机各部分尺寸设计.........................................................................175总结.......................................................................................................25参考文献....................................................................................................23致谢....................................................................................................24附录....................................................................................................251绪论1.1引言在过去的一个世纪里，传统电机已经发展的比较完善。在各方面难以再有很大的进步。随着科技的进步，它们已经无满足人们的需求。直到人们发现了压电陶瓷的特性，并通过进一步的研究，才研发出了超声电机。超声电机一经研发出来便受到了科学界的重视，并迅速成为各国科研界的新宠。由于超声电机特殊的工作原理，它具有很多传统电磁电机无法比拟的优越性能，如低速大转矩、体积小、重量轻、功率密度大、响应速度快、微位移、不受电磁场的影响、掉电自保护、设计自由度大、可直接驱动负载等[1]。超声电机是最近二十年才备受重视并得到巨大发展的一种新型直接驱动电机，但是其发展史却可追溯到20世纪中旬。虽然当时人们已经知道了超声波电机的驱动原理，但是由于当时材料与技术的困难，并没有研制出这种新型电机。[2]一直到1980年左右，压电陶瓷的出现，再结合电控技术的发展，才逐步研制出各种各样的超声波电机。我国是从90年代初才开始研究的，并取得可喜的成果。1.2超声电机基本工作原理可以看出，超声波电机是利用压电陶瓷逆压电效应原理。高频电源产生信号的频率和电机的固有频率一致，形成共振，产生高频机械振动。这种振动借助定子和转子间的摩擦图1.1超声电机基本工作原理图耦合来驱动电机运动。这就是超声波电机的基