U形直线超声电机结构设计
直线驻波型超声电机的接触分析和堵转推力模型
Ｏ 引 言
依 据驱 动 原 理 不 同 ，超 声 电 机 可 分 为 行 波 型 和驻 波行 两 大 类 。就 目前 来 看 ，有 关 超 声 电机 负
面 问的速 度 差 ，产 生 摩 擦 力 推 动 电机 转 子 （ 子 ） 动
运动。
设 纵振 振 幅 为 ａ ；弯 振 振 幅 为 ｂ ，则 纵 振 振 型
横 向弯 曲振 动位 移 函数 为 ：
Ｙ＝Ｕ ｓ （ ｔ 卢） ｗｉ ｔ ＋ ｎｏ 从式（ ） ２ ，式 （ ） 消去 时间参 数可 得 ： ３中
一
许 海 ，李 志荣
２ ５０ ） １ １４ （ 州市职业 大学 机电工程系 ， 苏 苏州
摘 要 ：摩擦界面对超声 电机 的性能有至关 重要 的影响。文章针 对一种基于 面 内振 动 的直线驻波超声 电机 ，结合 电机 的工作振型，对电机 的定 、转子 的接触过程进行 了详 尽 的论 述 ，建 立 了堵 转情况下 的 最大输 出力模型 ；并进行 了仿真研 究。通过仿真可 以得 出超声 电机 的堵 转推力 受定、转装 配 间隙的影 响最大。在 电机 已完成制造 的情况 下。如要得到较大的堵 转推力 ，可适 当调整定 转子 的装配 间隙。 关 键 词 ：超 声 电机 ；摩擦 界 面 ；仿 真模 型
Ａｂｓｒ ｔ：Ｔｈ ｒｃｉｎ ｌ ｎ ｅｆ ｃ ａ ｐ ｏ ｎ ｎ ｎ ｌ ｅ ｃ ｔ ｈ ｐ ｏ ｅ ｔ ｏ ｉ ｅ ｒ ｌ ａ ｏ ｉ ｍｏｏ ． ｔａｃ ｅ ｆｉｔｏ ａ ｉ ｔｒａ ｅ ｈ ｓ ｒ ｍｉ ｅ ｔ ｉ ｆｕ ｎ ｅ ｏ ｔ ｅ ｒ ｐ ｒｙ ｆ ｌｎ ａ ｕ ｔ ｓ ｎ ｃ ｒ ｔｒ Ｔｈｓ ｐ ｐｅ ａ ｅ ｕｌ ｔ ｄ ｅ ｈｅ ｐｒ ｃ ｓ ｆ ｃ ｎ ａ ｔ ｏ ｏｔ ｏ ｉ ｒ ｕ ｔａ ｏ ｃ ｉ ａ ｒ ｃ ｒ ｆ ｌ ｓｕ ｉ ｄ ｔ ｏ ｅ ｓ ｏ ｏ ｔ ｃ ｆ ａ ｓ ｒ ｆ ｌ ｙ ｎｅ ｌｒ ｓ ｎｉ ｍｏｏ ， ｂ ｎ ｙ ｅ ｈｅ ｔｒ ｙ ａ ａ ｓｄ ｔ ｌ ｍｅ ｈａ ｉｍ ｆｍｏｉ ａｉｎ． Ｂｕｉ ｈ ｔｌ—ｈ ｕ ｔｍｏ ｌｏ ｉ ｅ ｒ ｕ ｔａ ｏ ｉ ｔｒ ａ ｄ ｓｍｕ ａｅ ｈ ｄ ． ｃ ｎ ｓ ｏ ｔｖ ｔｏ ｌ ｔｅ ｓａｌｔ ｒ ｓ ｄｅ ｆｌｎ ａ ｌ ｓ ｎ ｃ ｍｏ ｏ ． ｎ ｉ ｌ ｔｄ ｔ ｅ ｍｏ ｄ ｒ
双足型直线超声电机的原理分析及结构设计
双足 型直线超 声 电机 的原理 分析及 结 构设计 六
许 海 （ 州市职 业大 学 机 电工程 系 。 州 ２５ ０ ） 苏 苏 １ １４
Ｔｈ ｏ ｂｅ ｆ ｏ ｓｌ ｅ ｌ ａ ｏ ｉ ｍｏ ｏ ｅ ｒ ｆ ｐ ｒ ｔ ｎ ａ ｄ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｅ ｄ ｕ ｌ ｔ ｎ ｒ ｔ ｓ ｎｃ ｏ ｉ ｕ ｒ ｔ ｒ ｔ ｏ ｙｏ ｅ ａ ｉ ｎ ｔｕ ｔ ｒ Ｓ ｈ ｏ ｏ
线运动推力可直接产生 、 响应 快 、 位置 分辨率高 、 断 电自锁等 有
及开发新型电机都具有特别重要的意义Ｉ Ｉ 。
来稿 日期：０ ６ ０ — ７ 基金项 目： ２ ０ — ９ ２ 国家 自然科学基金资助项 目（ 目 项 编号 ：０ ７ ０ ０ ５ １５ ５ ）
＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ 件 件 ＊ ＊ ＊ ＊ ｃ ＊ ｝ ＊ ＊ ｝ ＊ ： 书 ＊ ｃ ＊ ｝ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ 格 ＊ ＊ Ｉ－ ＊ ＇ ｌ ， ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＩＩ －
Ｘ ａ Ｍ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｌｃｒｎｃＥ ｇｎ ｅｉｇＤ ｐ ｒ ｅ ｔＳ ｚｏ ｏ ａ ｏ ａ Ｕ ｉｅｓ ｙ Ｓ ｚｏ １ ４ Ｃ ｉａ Ｕ Ｈ ｉ（ ｅ ｈ ｎｃ ｄＥｅ ｔ ｉ ｎ ｉｅｒ ｅａｔ ｎ， ｕ ｈｕｖｃｔ ｎ ｌ ｎｖｒｉ ， ｕｈ ｕ２ ５ ０ ， ｈｎ） ａａ ｏ ｎ ｍ ｉ ｔ １
的基本工作原理是利用压电陶瓷 的逆压电效应激 发弹性体产生
超声 振动来实现 电能向机械能的转换 ， 并通过定 、 转子之 间的摩 擦界面完成动力输 出。直线型超声 电机具有功率， 比大 、 重量 直
超声电机发展的主流 。简单实用而又符合实际需求 的基于薄板
u型无铁芯直线电机结构设计和电磁场仿真优化
U型无铁芯直线电机是一种新型的直线电机结构，由于它没有铁芯，因此具有较高的功率密度和较低的惯性。
U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真优化是其研究和应用的重要方面。
本文将从以下几个方面对U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真优化进行探讨。
1. U型无铁芯直线电机的结构设计U型无铁芯直线电机的结构设计包括定子、滑块、导轨等部分。
在定子方面，需要考虑绕组的布置、绕组的参数选择、绕组的绝缘等问题。
滑块的设计需要考虑其材料、表面处理、导向方式等因素。
导轨的设计则需要考虑其刚度、平整度、表面硬度等方面。
在结构设计过程中，需要充分考虑U型无铁芯直线电机的整体性能和稳定性，尽可能减小机械振动和噪声，提高运行精度和可靠性。
2. U型无铁芯直线电机的电磁场仿真优化电磁场仿真是U型无铁芯直线电机设计和优化的重要工具。
通过电磁场仿真，可以分析磁场分布、磁通密度、电磁力等参数，从而优化绕组的布置、绕组的参数、磁路的设计等方面。
电磁场仿真还可以帮助分析电机的热场分布，从而优化散热结构，提高电机的工作效率和稳定性。
电磁场仿真还可以分析电机的电磁噪声，帮助减小电机的噪声水平，提高其工作环境的舒适性。
3. 结构设计与电磁场仿真的协同优化U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真是相互关联、相互影响的。
在结构设计阶段，应充分考虑电磁场仿真的需求，为仿真分析提供准确的几何模型和材料参数；在电磁场仿真阶段，应结合结构设计的要求，对仿真结果进行综合分析和优化设计。
通过结构设计与电磁场仿真的协同优化，可以有效提高U型无铁芯直线电机的性能指标，优化其结构和工作参数，提高其整体竞争力和市场应用前景。
U型无铁芯直线电机的结构设计和电磁场仿真优化是其研究和应用的重要方面。
本文从结构设计、电磁场仿真和协同优化等方面进行了探讨，希望对相关领域的研究人员和工程师有所启发和帮助。
在未来的工作中，还可以进一步扩展研究内容，探索更多创新性的方法和技术，推动U型无铁芯直线电机的发展和应用。
低压驱动Ⅴ形直线超声电机的设计
第29卷第1期2021年1月Vol.29No.1Jan.2021光学精密工程Optics and Precision Engineering低压驱动V形直线超声电机的设计黄卫清，杨成龙，沈兆琛，薛昊东，安大伟*（广州大学机械与电气工程学院，广东广州510006）摘要：针对传统V形直线超声电机驱动电压较大、驱动电路复杂，在配合变压器驱动时不利于结构微型化的问题，提出了一种利用叠层压电陶瓷驱动的低压V形直线超声电机。
在对V形直线超声电机的运行机理进行理论分析的基础上，设计了基于叠层压电陶瓷的V形振子并进行了夹持装置的结构设计，进一步制作样机并开展了阻抗实验，测试了样机的外输出特性。
实验结果表明：电机的驱动频率位于36~38kHz，在37kHz，50Vpp的驱动电压激励下，其最大输出力为25.8N，最高空载速度为1.221m/s，可在低压驱动下输出大推力，直线超声电机的驱动性能得到了提高。
关键词：超声电机；直线电机；V形结构；低压驱动；振子设计中图分类号：TM359.4文献标识码：A doi：10.37188/OPE.20212901.0091Design of V-shaped linear ultrasonic motor driven with low-voltage HUANG Wei-qing，YANG Cheng-long，SHEN Zhao-chen，XUE Hao-dong，AN Da-wei*（School of Mechanical and Electrical Engineering，Guangzhou University，Guangzhou510006，China）*Corresponding author，E-mail：andavy@Abstract：To solve the problem of the high driving voltage of traditional V-shaped linear ultrasonic mo⁃tors，which results in a complex driving circuit and the disadvantage of structure miniaturization when matching with transformer driving，a low voltage driving V-shaped linear ultrasonic motor based on lami⁃nated piezoelectric ceramics was proposed.Based on the analysis of the working principle of the V-shaped linear ultrasonic motor，a V-shaped oscillator with laminated piezoelectric ceramics and a clamping device were designed.Finally，a prototype of the motor was fabricated，and the impedance and performance were measured.The experimental results show that the operating frequency of the motor is between36and38 kHz while under a driving voltage of50Vpp and37kHz，the maximum output force of the motor reaches 25.8N，and the maximum no-load velocity reaches1.221m/s.Key words：ultrasonic motor；linear motor；V-shaped structure；low voltage drive；vibrator design1引言压电直线电机具有定位和速度控制精度高、结构设计灵活，易实现装置的小型化和轻量化等特点，广泛应用于精密驱动等相关领域［1-3］。
V形直线超声电机定子的优化设计
Ｋｅ ｒ ｓＵ ｔａｏ ｉ ｍｏｏ ；ｔｔｒＦｎｔ ｅ ｎ ； ｔ ｍ ｅｉｎ ｙｗｏｄ ： ｌ ｓｎｃ ｔｒＳａｏ ；ｉｉ ｅ ｍｅ ｔｏｐｉ ｒ ｅｌ ｍｕ ｄ ｓ ｇ
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中图分类 号 ：ＨＩ 文献标 识码 ： Ｔ ６ Ａ
１电机 的结构及驱动原理
ｖ形 电机 的结 构 示意 图 ， 图 １ 示 。该 电机 由两 个 空 间垂 如 所
机理和特 点， 定子模态应满足 以下ｊ项设计要求 （ ） ： １激发一 阶
纵 向振 型 的压 电陶瓷 片 置 于 该振 型 的节平 面上 （ ） 子 驱动 端 。２定
ｄ
ｄ
＿
位置上相互垂直 ， 因此在此取其一进行研究即可。
图 ２电机定子的结构形式 和相应的结构参数
３电机定子 的优化设计
３１定子 结构 设计参 数的确定 ．
定子的结构简图和尺寸参数 ， 如图 ２所示 。 中部分尺寸参 其
汪红兵 李志荣 许 海 孙春 华 陶 亦亦 （ 州市 职业大 学 机 电工 程系 ， 苏 苏州 ２ ５０ ） １ ４ １
Ｏｐ ｉ ｍ ｅ ｉ ｎ ｏ ｓ ａ ｅ ｌ ｅ ｒｕｔ ｓ ｎ ｃ ｍｏ ｏ ｔ ｔ ｔ ｍｕ ｄ ｓｇ ｆａ Ｖ－ ｈ ｐ ｎ ａ ｌａ ｏ ｉ ｔ ｒ ａ ｏｒ ｉ ｒ ｓ
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超声线结构设计
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超声波加工机床的结构设计与动力系统优化
超声波加工机床的结构设计与动力系统优化一、引言超声波加工机床是一种利用超声波振动进行加工的先进设备。
它具有精度高、效率高、能耗低等优点，因此在现代工业中得到了广泛应用。
本文将对超声波加工机床的结构设计与动力系统进行分析与优化，旨在进一步提高其加工质量和性能。
二、超声波加工机床的结构设计1. 传动系统设计超声波加工机床的传动系统是保证加工过程中能量传递和工具运动的关键部分。
采用传动系统可以将电机的转速转换为工作台或工具的运动速度。
传动系统的设计应保证其结构紧凑、刚性良好、传动效率高和稳定性强。
2. 悬挂系统设计超声波加工机床的悬挂系统用于支撑工具和工作台，使其在超声波振动下能够稳定运动。
悬挂系统应具备足够的刚性和稳定性，能够有效抵抗振动的影响。
同时，悬挂系统还应具备一定的调节能力，以适应不同加工任务的要求。
3. 结构刚度设计超声波加工机床在加工过程中需要承受较大的力和振动。
因此，其结构刚度设计至关重要。
合理的结构刚度设计可以提高加工精度，减小振动的影响，并降低设备的故障率和维修成本。
结构刚度设计需要考虑材料的选择、结构的合理性和加工工艺等因素。
三、超声波加工机床的动力系统优化1. 电机选择与匹配超声波加工机床的电机是动力系统的核心部分，对其性能和稳定性有重要影响。
电机的选择应根据加工机床的负载要求、工作条件和精度要求等因素进行选择。
同时，电机的匹配应保证其输出扭矩和速度与机床需求相匹配，以提高加工效率和精度。
2. 控制系统设计与优化超声波加工机床的控制系统对于保证加工过程的稳定性和精度至关重要。
控制系统应具备快速响应、精准调整和稳定运行的能力。
通过优化控制算法和调整控制参数，可以进一步提高加工机床的稳定性和控制精度。
3. 能源系统优化超声波加工机床的能源系统包括供电系统和能量转换系统两部分。
供电系统应能够稳定地为机床提供所需电能，以保证其正常运行。
能量转换系统应具备高效转换能量的能力，以提高能源利用率和机床的工作效率。
超声波电动机
人耳能感知的声音频率，约为50Hz ～20kHz之范围，因此超声波为20kHz 以上频率之音波或机械振动。超声波电 动机与传统的电磁式电动机不同,它是 利用压电陶瓷的逆压电效应，将超声振 动作为动力源的一种新型电动机，其外 形如图所示。
利用电压源驱动，发生向右方向传播的进行波 (顺转)。 B相利用电压 源进行波方向为向左传播的进行波(逆转)。下图为单压电芯片型超声波 电动机等效电路图。
二、超声波电动机的特点及应用
1. 超声波电动机的特点
（1）低速大转矩、效率高。 （2）控制性能好、反应速度快。 （3）形式灵活，设计自由度大。 （4）不会产生电磁干扰。 （5）结构简单。 （6）震动小、噪音低。
2. 超声波电动机工作原理 超声波电动机的工作是在极化的压电晶体上施加超声波频率的交
流电，压电晶体随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子 弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦 材料以驱动转子旋转。
2. 超声波电动机工作原理 当使用振动材质为压电陶瓷，两个电压源以适当的间隔配置。A相
一、超声波电动机的结构和工作原理
1.超声波电动机的结构 超声波电动机一般由定子（振动部分）和
转子（移动部分）两部分组成，如图所示。该 电动机中既没有线圈也没有永磁体，其定子是 由压电晶体、弹性体(或热运动器件)、电极构 成的；转子为一个金属板，转子均带有压紧用 部件，加压于压电晶体上，定子和转子在压力 作用下紧密接触。为了减少定子、转子之间相 对运动产生的磨损，通常在两者之间(在转子 上)加一层摩擦材料。
2. 超声波电动机的应用
由于超声波电动机具有电磁电动机所不具备的许多特点，尽管 它的发明与发展仅有二十多年的历史，但超声波电动机已在照相机 的自动变焦镜头、微型飞行器、电子束发生器、智能机器人、焊接 机、轿车电气控制设备、航空航天工程、医疗理分析 2. 超声波电动机的特点和应用
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片采用粘贴 的方式 固定在定 子上 ． 研究 了电机的激振方式与位 置 ， 设计并 加工 了直 线超声 电机样 机和测试装 置． 将柔性 铰链结构应用 到直线超声 电机夹持 中． 通过实验确定 了电机 的最 佳工作频率 、 预压 力． 研究 了输 出力 和空载速度 随工作 频率 、 预压力和 电压的变化规律． 实验 表明 ， 电机在 电压值 ４０Ｖ 预压力 ２ ０ ５Ｎ条件下 ， 最大 空载速度 ４０ｍ ／ ， ７ ｍ ｓ最大输 出力 ９Ｎ， 子质量 ２ ， 定 ５ｇ 推重 比达 ３ ； ６ 柔性夹持能提 高电机的模态一致 性和效率 ， 同时 简化 了电机结构 ． 该研究 为 电机
２ｔＣ ｎ ｉ ｒ ｇｔｅｍ ｎａ ｒ ａ ｏ ｆ ｎ ａ ｌａｏｉ ｍｏ ｒ Ｌ Ｓ ， — ａｅ ｎ ａ ｌａｏ ｉ ｍ ｔ ｂ ｔ ｃ ： ｏ ｓ ｅ ｎ ｉｉ ｕ ｚｔ ｎｏ ｌ ｅｒ ｔ ｓｎｃ ｔ （ Ｕ Ｍ） ａＵ ｓ ｐ ｄｌ ｅｒ ｔ ｓｎｃ ｏｏ ｒ ｄｉ ｈ ｔｉ ｉ ａｉ ｕｒ ｏ ｈ ｉ ｕｒ ｒ
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小 型化发展奠定基础 ． 关键 词 ： 直线超声电机 ； 结构设计 ； 夹持方法 ； 柔性铰链
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网 络 出版 地 址 ：ｔ ：／ ｗ ．ｎ ｉｎｔｋｍ ／ ｅ ｉ ２ ．３ ０ Ｕ．０ ２５ ３ １ １ ． １． ｔ ｈｔ ／ ｗ ｗ ｃｋ． ｅ ｃ ｓｄｔ ｌ ３ １９ ． ２ １００ ．６ ３ ０３ ｈ ｐ ／ ａ／ ｍｌ
苏松 飞 ， 志远 ， 冉 冉 ， 明 姚 耿 叶
（ 南京航 空航 天大学 机械 结构力学及 控制 国家重点 实验室 ， 江苏 南京 ２０ １ ） １０ ６ 摘 要： 针对直线超声电机的小型化问题 ， 出一种新 型 Ｕ形直 线超声 电机 ， 电机 由 Ｕ形定子 和导轨组 成 ， 电陶瓷 提 该 压
中图分类号 ：Ｍ ５ 文献标志码 ： 文章 编号 ：０ ６７ ３ ２ １ ）３０ ５ －５ Ｔ ３６ Ａ １０ －０ （０ ２ ０ －７９０ ４
Ｓ ｒ ｃ ｕｒ ｅ ｉ ｎ ｏ ｔ ｕ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｆ ａ ｌ ｅ ｒ ｕ ｔ ａ ｏ ｉ ｏ ｏ ｔ ｓ ａ ｅ ｉ ｒ ｔ ｒ ｉ ａ ｌｒ ｓ ｎ ｃ ｍ ｔ ｒ ｗｉｈ ａ Ｕ— ｈ ｐ ｄ ｖ ｂ ａ ｏ ｎ
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第３ ３卷第 ６期
２１ ０２年 ６月
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Ｕ形直 线超 声 电机 结 构 设 计