ANSYS柱体超声波电机的简并(2)

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1.1柱体超声波电机的发展历程

超声波电机实际是前苏联首先提出来的。1964年基辅理工学院的V.Vlavrinenko设计了第一个压电旋转电机。此后研究超声波电机的机构越来越多,主要有拉脱维亚的振动技术研究中心, 基辅理工学院和乌克兰及列宁格勒理工学院等。最早将超声波电机产业化的是日本T.Sashida教授于1980年提出并成功制造了一种驻波型超声波电机。

与传统的电机不同，超声波电机无绕组和磁极，无需通过电磁作用产生运动力[1]。一般由振动体(相当于传统电机中的定子，由压电陶瓷和金属弹性材料制成)和移动体(相当于传统电机中的转子，由弹性体和摩擦材料及塑料等制成)组成[2]。在振动体的压电陶瓷振子上加高频交流电压时，利用逆压电效应或电致伸缩效应使定子在超声频段(频率为20KHZ以上)产生微观机械振动。并将这种振动通过共振放大和摩擦耦合变换成旋转或直线型运动[3]。

1.2柱体超声波电机的特点及分类

超声波电机是利用压电材料的逆压电效应实现驱动的一种新型微特电机,具有如下一些特点[4][5][6]:

(1)低压电源控制,功耗低;

(2)刚度好,热稳定性好;

(3)直接获得低转速大力矩,可直接用于驱动元件,不象电磁型电机需添加减速器;

(4)没有线圈和磁铁,本身不产生电磁波,外部磁场对其影响也很小;

(5)具有无源自锁性能,且响应时间短;

(6)可实现高精密定位;

(7)体积小,易于集成,能量密度高;

(8)适宜在各种特殊的恶劣环境下使用。

超声波电机是压电陶瓷、功能材料、机械振动、超精加工、电力电子、控制理论等学科交叉发展的结晶,对其研究与开发具有重要的现实意义。

尽管超声波电机的结构形式有很多，但都是利用压电陶瓷的逆压电效应，放大微小振幅，通过摩擦耦合来传递定子和转子间的机械能。超声波电机可按照定子驱动方式和振动模态可做如下分类[7]：

1.3柱体超声波电机的应用领域

超声波电机的应用领域可概括如下[8]：

1)航空航天领域

航空航天器往往处在高真空、极端温度、强辐射、无法有效润滑等恶劣条件中，且对系统重量要求严苛，超声马达是其中驱动器的最佳选择。

2)精密仪器仪表电磁马达用齿轮箱减速来增大力矩，由于存在齿轮间隙和回程误差，难以达到很高定位精度，而超声马达可直接实现驱动，且响应快、控制特性好，可用于精密仪器仪表。

3)机器人的关节驱动源[自[751``论`文]网·www.751com.cn/

用超声电动机作为机器人的关节驱动器，可将关节的固定部分和运动部分分别与超声马达的定、转子作为一体，使整个机构非常紧凑。日本开发出球型超声电动机，为多自由度机器人的驱动解决了诸多的难题。

4)微型机械技术中的微驱动器

微型电机作为微型机械的核心，是微型机械发展水平的重要标志。微电子机械系统(micro electronic mechanical systems，缩写MEMS)的制造研发中，其电机多是毫米级的。医疗领域是微机械技术运用最具代表性的领域之一，超声电机在手术机器人和外科手术器械上已得到应用。

5)电磁干扰很强或不允许产生电磁干扰的场合

1.4柱体超声波电机的研究现状

1.5 选题的意义

目前，我国已是微特电机的生产大国，但微特电机产品主要集中在视听设备用的有刷永磁直流电机、玩具电机、交流串激电机、家用电器用电机、汽车电机、步进电机、单相异步电机等中、低档产品。而精密产品，如计算机外设用电机、工业控制用伺服电机等，除一些外商独资企业在国内组装生产外，总体上还处于比较落后的状态。超声波电机以其比较突出的性能优势，在微特电机行业显示了强大的生命力。经过多年的努力，我国在超声波电机方面的研究已取得了较大的进展，目前已接近实用化。可以预见，超声波电机必将在精密定位控制、伺服控制等高要求领域发挥相当的作用。尤其小型柱体超声波电动机具有结构简单、重量轻、单位体积出力大、可直接驱动、响应速度快、控制精度高、没有电磁噪声、电磁兼容性好的特点，是目前最有市场前景的一类超声波电机。两个正交的一阶弯振频率和振幅的一致性是实现超声电动机稳定运行的必要条件。因为只有在空间上互相垂直、相位上相差90°的两个同频简谐振动合成时，才能产生所需的理想椭圆运动。定子正交的两相一阶弯振不仅共振点频率相异，而且最大振幅也不同，这必然对电机输出特性产生不利影响。使两相的共振频率基本一致，完成两相频率的简并可以大大提高电机的运行稳定性，并且可以使稳定运行频率范围也得到拓宽。这对于促进我国的超声波电机研究具有重大的意义。