行波型超声波电机设计.doc

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毕业论文（设计）任务书

论文（设计）题目： 行波型超声波电机的设计

学号： 姓名： 专业：机械设计制造及其自动化
指导教师： 系主任：
一、主要内容及基本要求
超声波电机是国内外日益受到重视的一种新型驱动电机，本次毕业设计选题新颖，通过查找相关文献，自学其工作原理和运行机理，结合本科阶段所学机械各学科方面的知识，完成了超声波电机结构部分的设计。
基本要求：自行学习查阅文献，具备综合归纳资料的能力；综合运用本科阶段所学知识，分析与解决超声波电机结构设计过程中所遇问题；并利用AutoCAD软件绘制了其装配图和各个零件图；通过翻译3000字的外文资料获取国外在该行业的最新发展动态。

二、重点研究的问题
了解超声波电机的工作原理和运行机理，弄清其结构特点，设计一台行波型超声波电机的样机。

三、进度安排

序号
各阶段完成的内容
完成时间
1
选题
第1周
2
查阅与收集资料
第2~5周
3
超声波电机结构的设计
第6~9周
4
完成所要求图纸
第10~11周
5
完成设计说明书
第12~13周
6
进行最后的修改
第14周
7
答辩
第15周
8

四、应收集的资料及主要参考文献
[1].胡敏强、金龙、顾菊平.超声波电机原理与设计[M].北京：科学出版社，2005
[2].赵淳生.超声电机技术与应用[M].北京:科学出版社,2007.
. [3]何勃. 环形行波直线超声波电机的研究. [硕士学位论文].辽宁工程学院硕论文.2001 .
[4]龚书娟. 纵扭复合型超声波电机若干问题研究[D].博士学位论文.浙江大学.
2005

目录
第1章 绪论 3
1.1 超声波电机的定义与发展历史 3
1.2 超声波电机的基本工作原理 4
1.3 超声波电机的分类 5
1.4 超声波电机的特点和应用 6
1.5 超声波电机技术的展望 6
第2章 行波型超声波电机的运行机理 8
2.1 椭圆运动的分析 8
2.2 驻波的产生及行波的合成 10
第3章 行波型超声波电机的理论计算与设计 13
3.1 定子谐振频率的计算 13
3.2 压电陶瓷换能器的设计和制作 16
3.2.1 压电陶瓷的设计 16
3.2.2 压电陶瓷材料的选用 17
3.2.3 压电陶瓷的接线方式 17
3.3 定子的设计及制作 19
3.3.1 定子尺寸与行波超声波电机输出特性的关系 19
3.3.2 定子的内外径尺寸的选择 21
3.3.3 定子的振动模态的选择 21
33.4 定子的齿形齿数设计 21
3.3.5 定子的结构设计 22
3.3.7定子材料的选择 23
3.4 转子的设计及制作 24
3.4.1 超声波电机转子的柔性要求 24
3.4.2 定转子径向弯曲配合 25
3.4. 摩擦层的设计 26
3.5 定转子设计的总结 26
第4章 样机整体结构设计 27
第5章 全文总结 29
参考文献 30
致谢 31
附录 32
英文翻译译文 32

行波型超声波电机设计
摘要：超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的新概念、新原理电机。与传统电磁型电机截然不同，其驱动力矩并非由电磁感应产生，它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动，通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子。由于超声波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，如结构紧凑、低速大转矩、响应速度快、不受磁场影响、断电自锁、可直接驱动负载等。正是由于超声波电机具有许多的优点和广阔的应用前景，成为当前世界范围内的一门新兴前沿课题。
本文主要以旋转行波型超声波电机为研究对象，设计制作超声波电机的实验样机。研究的主要内容可概括如下：系统地总结国内外超声波电机的发展历史和重要意义，介绍了超声波电机的工作原理、分类、特点及其应用前景。在对超声波电机相关理论研究的基础上，从超声波电机定子设计着手，详细介绍了超声波电机的设计和制作过程。
关键词：超声波电机 压电陶瓷 行波

Design of Traveling Wave Ultrasonic Motor
Abstract：Ultrasonic motor is a use of the inverse piezoelectric effect of piezoelectric ceramic work of new concepts, new principles of motors. Very different from the traditional electromagnetic motor, the driving torque is not generated by the electromagnetic induction, which uses the piezoelectric effect to generate ultrasonic vibration of stator, through the friction between the stator and rotor to drive the rotor. Since the working principle of ultrasonic motors special, it has a lot of traditional electromagnetic motors can not match the superior performance, such as compact structure, low speed high torque, fast response, free from magnetic influence, power locking, can directly drive the load and so on. It is because of ultrasonic motor has many advantages and potential applications, become the world's a new frontier subject.
In this paper, a rotary traveling wave type ultrasonic motor for the study, designed the experimental prototype ultrasonic motor. The main content can be summarized as follows: The system sums up the history of the development of ultrasonic motor home and abroad and the importance of introducing the principle of ultrasonic motors, classification, characteristics and application prospects. In the theory of ultrasonic motors based on ultrasonic stator design from the start, ultrasonic motor described in detail the design and production process.
Key words: Ultrasonic Motor Piezoelectric ceramics Traveling Wave

第1章 绪论
本章主要介绍超声波电机的概念、分类、特点及其应用，总结了其发展历史和应用展望。
1.1 超声波电机的定义与发展历史
传统电机的发明和发展已有100多年的历史。无论在理论上、设计方法上或制造技术上，都已达到十分完善的程度。由于它的工作原理和结构的限制，难以满足当前对电机所提出的短、小、薄、低噪声、无电磁干扰等要求。为此，世界各国都在努力研究各种新型电机。其中，二十世纪末期发展起来的超声波电机算是最典型的一种。
超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）的基本结构及工作原理完全不同于传统的电机，没有绕组与磁路，不以电磁作用传递能量，而是一种利用超声波振动能作为驱动源的新原理电机，是电机制造、机械振动学、摩擦学、功能材料、电子技术和自动控制等学科综合交叉发展的产物。它将电能通过压电陶瓷转变为机械振动能，然后又借助摩擦力将机械振动能转变为直线运动或旋转运动。由于超声波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。可以说，超声波电机技术是处于当今世界高新技术之一。