纵扭复合型压电超声电机的研究

纵扭复合型压电超声电机的研究
随着现代科技的不断发展，各种新型材料和技术的出现，压电超声电机的应用领域也越来越广泛。

其中，纵扭复合型压电超声电机是最为常见和广泛应用的一种类型。

本文将从该型压电超声电机的原理、结构、特性及应用等方面进行研究。

一、纵扭复合型压电超声电机的原理
纵扭复合型压电超声电机是一种利用压电材料在电场作用下的体积变形和形变能的相互转换来实现机械运动的电机。

其原理可以简单概括为：将交变电压施加在压电陶瓷上，使其发生周期性的体积变形和形变能的相互转换，从而带动电机转动。

二、纵扭复合型压电超声电机的结构
纵扭复合型压电超声电机由压电陶瓷、弹性机构、摩擦机构、转子和定子等部分组成。

其中，压电陶瓷是电机的核心部件，其体积变形和形变能的相互转换是电机能够实现机械运动的基础。

弹性机构则起到支撑和传递压电陶瓷的变形能量的作用，摩擦机构则带动电机的转动，转子和定子则构成电机的基本结构。

三、纵扭复合型压电超声电机的特性
纵扭复合型压电超声电机具有以下特性：
1. 高精度：由于压电陶瓷的体积变形和形变能的相互转换是非常精确的，因此该型电机的运动精度非常高，适用于需要高精度控制的场合。

2. 高效能：由于压电陶瓷的体积变形和形变能的相互转换是无
损耗的，因此该型电机的转换效率非常高，能够大大节约能源。

3. 高速度：由于该型电机的结构简单、体积小，因此其转速非常高，适用于需要高速运动的场合。

4. 高可靠性：由于该型电机的结构简单、无接触、无磨损，因此其寿命非常长，能够保证电机的稳定性和可靠性。

四、纵扭复合型压电超声电机的应用
纵扭复合型压电超声电机具有广泛的应用领域，例如：
1. 机器人：可以应用于各种类型的机器人中，如工业机器人、服务机器人等，带动机器人实现各种类型的机械运动。

2. 汽车：可以应用于汽车中的各种部件，如平衡轮、泵、阀门等，带动汽车实现各种类型的机械运动。

3. 电子设备：可以应用于各种类型的电子设备中，如手机、平板电脑、电视等，带动设备实现各种类型的机械运动。

总之，纵扭复合型压电超声电机是一种非常优秀的电机类型，具有精度高、效率高、速度快、可靠性高等优点，适用于各种类型的机械运动控制和应用场合。

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贴片式纵弯复合激励圆筒超声电机

第１８卷第６期　２０１３年１２月　哈尔滨理工大学学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＨＡＲＢＩＮ　ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ　ＯＦ　ＳＣＩＥＮＣＥ　ＡＮＤ　ＴＥＣＨＮＯＩ　ＯＧＹ　Ｖｏ１．１８　Ｎｏ．６　

Ｄｅｃ．２０１３　

贴片式纵弯复合激励圆筒超声电机　宋起超　，　周　真　（１．哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００８０；　２．黑龙江工程学院电气与信息工程学院，黑龙江哈尔滨１　５００５０）　

摘　要：为了有效提高贴片式环形行波超声电机的机械输出性能，利于超声电机的小型化和微　型化，研制了一种贴片式纵弯复合激励圆筒超声电机，电机利用ｄ　工作模式和ｄ　工作模式，由单　臂变幅杆和一个环形换能器构成，且变幅杆和换能器采用一体结构．在对电机的工作原理进行分析　的基础上，利用ＡＮＳＹＳ软件完成了电机的设计和仿真，实现了两个振动模态的特征频率简并，并采　用多普勒激光测振仪对样机进行了振动测试，测试结果与仿真结果基本一致．样机的机械输出特性　测试表明，样机的最大转速为２６８ｒ／ｒａｉｎ，最大输出力矩为１．１Ｎ・ｍ．　关键词：超声电机；纵弯激励；工作模态；特征频率；圆筒型　中图分类号：ＴＭ３５９．４　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—２６８３（２０１３）０６—００９０—０５　

Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ　Ｂｅｎｄｉｎｇ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　Ｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌ　Ｕ　ｌｔｒａｓｏｎｉｃ　Ｍ　ｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｐａｔｃｈ　

ＳＯＮＧ　Ｑｉ．ｃｈａｏ　一．ＺＨＯＵ　Ｚｈｅｎ　ｆ　１．Ｔｈｅ　Ｈｉｇｈｅｒ　ＥｄｕｃａｔｉｏｎａｌＫｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｍｅ￣ｕｆｉｎｇ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ３，ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｐｒｏｖｉｎｃｅ　Ｈａｒｂｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００８０，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｍｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｉＬｏｎｇＪｉａｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｈ）ｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　ｌ５００５０，Ｃｈｉ　ｒ１ａ）　

纵振复合双足直线超声电机

ｍｏｏｓｉｔｏｕｅｔｒｉｎｒｄｃｄ，ＦＥＭｄｐｅｏａｃｍｐｉｈｔｅｄｓｇｎｉｌｔｏｉａｏｔｄｔｃｏｌｈｅｉｎａｄｓｍｕａｉｎ，ａｄｔｅｒｓｎｎｅｓｓｎｈｅｏａｃ
ｆｅｕｎｉｓｏｈｗｏｖｂａｉｎｍｏｅｆｔｅｍｏｏｒｕｅｏｇｔｃｏｅｔａｈｏｈｒＴｈｒｑｅｃｅｆｔｅｔｉｒｔｄｓｏｈｔｒａｅｔｎｄｔｅｌｓｏｅｃｔｅ．ｏｅｖｂａｉｎｃａａｔｒｓｉｓｏｈｒｔｔｐｒｅｔｄｂｃｎｉｇｌｓｒＤｏｐｅｉｒｍｅｅｎｉｒｔｏｈｒｃｅｉｔｃｆｔｅｐｏｏｙｅａｅｔｓｅｙａｓａｎｎａｅｐｌｒｖｂｏｔｒａｄ
ＬＵｎｘａｇ，ＹＡＯＩＹｉｇｉｎＹｕ，ＣＨＥＮｅｓａＷｉｈｎ，ＬＩＪｎａＵｋｏｕ
（ａｅＫｅｂｏａｏｙｏｂｔｃｎｓｅ，ＨａｂｉｎｔｔｅｏｃｎｌｇＳｔｔｙＬａｒｔｒｆＲｏｏｉｓａｄＳｙｔｍｒｎＩｓｉｕｔｆＴｅｈｏｏｙ，Ｈａｂｎ１００ｒｉ５０１，Ｃｈｎ）ｉａ
ｔｎ，ｗｈｃｒｒｃｓｅｓａｍｏｏｌｃｆｄｒｌｍｉｌｏ．Ｔｈｒｉｇｐｉｃｐｅｏｈｉｅｄｐｉｈａｅｐｏｅｓｄａｎｂｏｋｏｕａｕｎａｌｙｅｗｏｋｎｒｎｉｌｆｔｅ

超声波电机的研究1

负载
项目实施方案、预期目标及经费预算

超声波电机的发展背景
20世纪年代世纪60年代世纪年代——超声电机的提出阶段超声电机的提出阶段苏联 1964年，在基辅学院有学者提出超声电机的理论模型，自此超声电机的研究工作宣告开始。
60年代末年代末~70年代末年代末——超声电机的初级发展阶段年代末年代末超声电机的初级发展阶段

优良的控制性能
电机运动部件（转子）惯性小，响应快（毫秒级）控制性能良好。
250 位 200 移 150 100
电动电动
电动
动动
电性的
/mm
50 0 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 响应 /s

LOGO
超声波电机的研究与设计
——秦波，王一，吴茂昌

申请理由
秦波, 获三等奖学金两次，参加过基础学院组织的CAD建模培训，参加学院组织的新思路科技创新比赛之旋转小车并获一等奖，步行机器人培训及丛德宏老师指导的机器人竞赛选修课，参加了机械创新大赛。
王一，二等奖学金三次，沈阳机床奖学金一次。参加过基础学院CAD 建模培训及比赛，计算机竞赛（三等奖），新思路科技创新比赛之旋转小车并获一等奖，也参加过机器人培训及丛德宏老师指导的机器人竞赛选修课。精通AutoCAD，擅长编程，了解Solidworks，Matlab及 anysis有限元分析。
驱动超声波电机需要对定子上的压电陶瓷元件施加一定功率的电信号,驱动器的优劣关系到超声波电机的输出性能和应用
第三阶段
超声波电机驱动方式的设计
采用有限元法对定子与转子动力特性进行分析,建立定子的机电耦合模型,借此再结合 Matlab进行结构的优化设计

纵扭超声波电动机的驱动接触有限元模型

维普资讯
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堕堕 … 生
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纵扭超声波电动机的驱动接触有限元模型
刘勇，张旭，德永，付陈宇，周铁英
（清华大学，北京１０８）００４
ｄｎ；ｎｔｅｍｎｔｏ（ＥｉａｆｉｌｅｔｈＦＭ）ｌｉｅｅｍｅｄ
２纵扭电动机的有限元模型
带耗散的机电耦合系统的真实位移路径满足广
义的Ｈｍｌｎ变分原理：ａ效应实现机电转换的新型驱动装置。根据驱动原理的不同，可以分为弯曲行波型、纵扭驻波型、弯曲摇头式等。其中纵扭型超声波电动机与其余类型电机相比，具有输出力矩大、转速低等特点，已受到广泛关注。东京工业大学精密和智能实验室已开发了４ｍ的纵０Ｎ・扭复合型超声波电动机；国内清华大学、浙江大学、南京航空航天大学和哈尔滨工业大学等高校都对纵
十分吻合。
ｔｅｄｖｎｍｏｅ，ａｍｏｉｄｔｎｉｎｏｔｃｒｃｓｎｙｈｒｅｄｌｈｒｎｃａｒｓｔｃｎａｔｐｏｅｓａａ－ｉｎａｅｌ
ｓｓｏｅｈｂｄｕｔｓｎｏｏＵＭ）ｈｖｅｎｓｕａｄｅｆｈｙｒｌａｏｉｍｔｒ（Ｓｔｉｒｃａｅｂｅｉｌｅｍｔ
ｒｓｌｏｎｉｅｗｔｘｅｍｅｔｗｌｅｕｔｃｉｃｄｉｅｐｒｎｓｅ１ｓｈｉ．
的技术参数，计算分析了各电动机的输出性能，与实

模式转换型纵-扭复合超声振动加工系统的设计

模式转换型纵-扭复合超声振动加工系统的设计YIN Sen;ZHAO Bo;LI Yu【摘要】将纵-扭复合超声振动在应用于切削和焊接中,能够得到较好的加工质量,并可显著提高加工效率,延长刀具寿命.基于平面简谐波传播理论,推导了螺旋沟槽处反射横波的存在性,并进一步分析了螺旋沟槽结构的振型转换原理;利用数值解析法设计了复合变幅杆,并在其锥面开设螺旋沟槽,从而成功输出纵-扭复合振动;结合有限元分析探究了螺旋沟槽角度θ、沟槽槽宽d及槽深h对扭纵振动转换比e的影响规律,从而优化螺旋沟槽参数,并拟合出变幅杆端面某质点的振动轨迹.利用加工出的实体变幅杆对有限元分析结果进行了验证.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2019(038)011【总页数】7页(P242-248)【关键词】螺旋沟槽;振形转换;有限元分析;扭-纵振动转换比【作者】YIN Sen;ZHAO Bo;LI Yu【作者单位】;;【正文语种】中文【中图分类】TB559随着现代工业的高速发展，高硬脆材料在航空航天、医疗、武器装备制造等诸多领域得到了广泛的应用，而超声振动加工在加工多种硬脆材料时，均表现出加工效率高、表面质量良好等优势，而二维复合振动加工更是可极大提升单向振动加工的加工质量[1]。

复合振动模式主要有纵弯复合、扭弯复合[2]、纵扭复合[3]、双弯曲复合[4]及径扭复合[5]等。

目前，实现纵扭复合超声振动的输出装置有两类：①利用纵-扭超声换能器实现系统的复合振动，如通过使用两组不同极化方向的压电陶瓷，组成纵-扭复合振动换能器[6]、通过轴向磁致伸缩输出扭转振动的换能器[7]和通过合理布置倾斜压电陶瓷的换能器[8]；②在变幅杆上设计“模式转换器”的结构，对系统输出的超声振动进行转换与复合，如螺旋沟槽式变幅杆[9]、斜槽式变幅杆[10-12]、榫卯式变幅杆[13]。

对于螺旋沟槽式变幅杆，其扭转振动分量较高，纵-扭复合振动输出稳定[14]，但是影响纵-扭复合振动输出的结构参数众多，纵-扭模型的建立较为困难，对输出参数无法实现较为精确的确定与控制，在实际应用中有较大的局限性。

基于ANSYS的纵扭超声电机定子的优化设计方法

ｍｏａｒｑｅｃｅｅｓｔａ０ｎｈｆｉｉｎｙｏｈｅｉｎｆｒｔｅＵＳｔｔｒｉｍｐｏｅｒｅｌ．ｄｌｆｅｕｎｉｓｌｓｈｎ１０ＨｚａｄｔｅｅｆｅｃｆｔｅｄｓｇｏｈＭＳｓａｏｓｉｒｖｄｍａｋｄｙｃ
率差小于１０Ｈｚ。０）
可控性和低速稳定性（质点的切向运动和法向运动是相互解耦的）高机电转换效率（电陶瓷中ｄ、压 ≥
ｄ。。 ≥ 。＿及定、子间的面摩擦接触方式而具有２）转
Ｋｅｒｓ：ｔａｏｎｉｏｏｒｆｎｉｅｅｅｅ；ｏｉａｅｉｙｗｏｄｕｌｒｓｃｍｔ￣ｉｔｌｍｎｔｐｔｍｌｄｓｇｎ；ｉｚｅｅｔｉｉｙｐｅｏ１ｃｒｃｔ
作为超声电机中的重要一类，扭型超声电机纵主要是利用压电陶瓷的ｄｄ效应分别激发出定
子的纵振和扭转振动模态，并通过定、子间的摩擦转力来实现动力输出的装置口。该型电机灵活的速度］
输出性能，根据其驱动原理和特点，电机的定子设计
应满足：
（）两个模态频率要保持良好的一致性（频１两
中图分类号：ＴＭ３６５文献标识码：Ａ
ＴｈｅＯｐｔｍａｓｇｂｕｔＳａｏｆＵｌｒｓｎｉｏｏｉｉｌＤｅｉｎａｏｔｔｒｏｔａｏｃＭｔｒＵｓｎｇ

超声波电机的研究现状及应用前景

超声波电机的研究现状及应用前景摘要：超声波电机是一种通过摩擦传递弹性超声振动以获得功率的驱动机构。

压电陶瓷在高频替代电压作用下产生相反的压电效应，从而激发超声频段内弹性定子的微幅振动。

定子驱动的表面粒子的椭圆运动通过摩擦转换为转子的旋转(或线性)运动。

超声波电机具有低速大转矩、无噪声、停电后自燃、快速响应、无磁场干扰等特点。

关键词：超声波电机；压电效应；研究现状；应用前景；超声波电机是一种新型的微型专用电机。

其通过反向偶极子效应和超声振动获得动力的工作原理推翻了传统的发动机概念，吸引了国内外许多学者的广泛关注和研究。

目前，该技术仍处于科学前沿，应用前景广阔，因此具有重要的研究价值。

综述了超声波电机的研究现状及应用前景。

一、国外超声波电机的研究现状人类第一次尝试用弹性振动来获取权力始于钟表。

1961年，日本Bulova Watch公司开始出售一只手动手表，每月误差仅为1分钟，这创造了当时的世界纪录，给全世界学者留下了深刻的印象。

超声波马达的研究也已开始，许多研究人员对此进行了深入研究，并取得了丰硕成果。

提出并制造了一种驻波分电器超声波马达，该马达使用了一种波长为27.8 khz的朗格文激励器，输入功率为90瓦，机械输出功率为50瓦，输出扭矩为0.25n m，输出速度为0.25n m但是，由于振动板和发动机转子之间的接触固定在同一位置，接触表面仍存在严重的摩擦磨损问题。

为了解决摩擦磨损问题，提出并制造了另一种形式的超声波偶极电机。

这种发动机意识到转子是由行波而不是固定点和驻波力矩不断推动的。

从而大大减少定子与转子接触表面的摩擦磨损。

该发动机的工作机构是利用定子表面颗粒在圆周方向上的椭圆运动速度分量驱动转子通过摩擦转动。

佳能公司研制的环形行波超声电机已正式应用于EOS相机目标自动研制系统，标志着超声波电机开始进入实用阶段。

不难看出，上述所有超声波电机都属于接触式超声波电机，即功率是通过定子和转子之间的接触摩擦传递的。

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