一种具有中空结构的纵扭复合型超声波电机

西北大学学报(自然科学版)2006年10月,第36卷第5期,O c.t,2006,V o.l36,N o.5Journal o fN o rt hwe st U niversit y(N a t ural Science Edition) 收稿日期:2005-07-10 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10274046) 作者简介:曹辉(1969—),男,重庆人,陕西师范大学副教授,博士,从事应用声学研究。

纵扭复合型超声马达谐振频率的理论研究曹　辉,林书玉(陕西师范大学应用声学研究所,陕西西安　710062)摘要:目的　对夹心式纵扭复合振动模式压电超声马达的共振频率进行理论研究。

方法　根据纵扭复合超声换能器纵向振动模式及扭转振动模式的共振频率方程,首次提出负载因子的概念。

结果　得出了纵扭复合型超声马达谐振频率与负载的变化关系。

实验表明,超声马达纵扭各自共振频率的理论计算值与测试值基本符合。

结论　为纵扭复合型超声马达的设计提供了一定的理论基础。

关　键　词:纵扭复合超声换能器;负载因子;谐振频率中图分类号:O426.6 文献标识码:A 文章编号:1000-274Ⅹ(2006)05-0729-05 压电超声马达是国内外近年来迅速发展起来的一种新型固态马达,它是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构,通常由形成超声振动的换能器(定子)及与换能器相连的转子组成。

定子产生超声振动,转子依靠定转子间的摩擦耦合传递定子的振动,并将这种振动转换成连续的旋转或直线位移。

在这种全新结构的马达中,作为定子的超声换能器(压电陶瓷和弹性体)代替了传统电磁马达电磁线圈。

与传统的电磁马达相比,压电超声马达除了具有结构简单、重量轻的优点,还具有响应快、控制性能好、不受磁场影响的特点。

压电超声马达传动是一种新颖的传动形式,它的出现是对延续数百年来的杠杆和涡轮系统占统治地位的传统机械传动的突破和有力补充[1]。

纵扭复合超声马达具有可控性好、输出功率高、转矩大、正反转特性一致、低速稳定性好等特性而受到业内人士的重视。

第44卷2011年第12期12月MICROMOTORSVol.44．No.12Dec.2011收稿日期：2011-04-07作者简介：鲍时超（1983），男，硕士研究生，研究方向为机电系统及超声波电机。

三圆柱定子纵－弯复合模式超声波电机的研制与实验鲍时超，洪尚任，翁志刚，郑文灿（华侨大学机电及自动化学院，福建泉州362021）摘要：该文研究了三圆柱定子纵－弯复合模式超声波电机的驱动机理，设计制作了三圆柱定子纵－弯模式的新型结构电机，并进行了实验测试。

实验结果表明，该类型电机不但结构简单紧凑，而且具有良好的输出性能，如反应速度快、控制特性好，低速大转矩等，设计达到了预期目标。

关键词：超声波电机；三圆柱定子；纵－弯复合模式中图分类号：TM359.9文献标志码：A文章编号：1001-6848（2011）10-0041-04Research and Experiment of Three Cylindrical Stator Longitudinal'Flexural Composite Mode Ultrasonic MotorBAO Shichao ，HONG Shangren ，WENG Zhigang ，ZHENG Wencan（College of Mechanical Engineering and Automation ，Huaqiao university ，Quanzhou Fujian 362021，China ）Abstract ：The three cylindrical stator longitudinal 'flexural composite model ultrasonic motor drive mecha-nism was studied ，the three cylindrical stator longitudinal 'flexural composite model ultrasonic motor of a new structure motor was designed and manufactured ，and the experiment test was made．Results indicate that the type of motor is simple and compact structure ，and has good performance ，such as fast response speed ，good control characteristics and low'speed and large torque ，the expected design objective has been successfully obtained．Key words ：ultrasonic motor ；three cylindrical stator ；longitudinal'flexural composite mode0引言超声波电机（Ultrasonic Motor ，USM ）是近几十年发展起来的一种原理与概念全新的新型电机。

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。

纵扭复合型超声波电机的力传递模型1 引言复合型超声波电机力传递过程是一个非常重要的环节，它关系着电机能否最大效率的将定子机械振动能变成电机的输出力矩，并且保证电机有较长的寿命。

因其力传递过程是断续的整个面接触，是一种很典型的接触方式，这也是大力矩产生的根本原因。

这与连续局部接触的行波型超声电机不同，直径100mm行波型电机的力矩也可高达2n·m左右[1]，但这种纵扭型电机的力矩至少可达10 n·m以上。

文献[2-6]曾对复合型超声波电机的力传递问题进行了研究，归结主要有以下3点不足：①采用常规的等效电路方式无法模拟断续接触问题；②以往的工作，忽略复合型超声波电机摩擦力矩是在定转子接触面每秒钟2万次以上冲击和碰撞产生的事实，其研究结果难于真实地反映扭矩的转换过程；③研究结果中不能反映出复合型超声波电机大力矩输出对摩擦材料特性的要求，因为大力矩输出电机应该有相匹配的摩擦材料。

为此本文先简要地介绍纵扭复合型超声波电机的等效电路模型及其定转子负载模拟上存在的问题，随后运用一个振动周期内轴向冲量守恒的原理推导给出了定转子接触角关系式，运用一个振动周期内周向能量守恒的原理推导给出了电机输出力矩表达式。

最后利用上述表达式，仿真分析了纵扭转振动振幅、定转子预压力、摩擦材料几何和物理参数等对电机输出力矩的影响，并应用上述理论设计转子和摩擦材料，用实验检证了这一模型的有效性和准确性。

通过力传递模型的研究，可进一步形成纵扭复合型超声波电机的理论基础。

2 纵扭复合型超声波电机的简化驱动模型纵扭复合型超声波电机的简化驱动模型如图1所示，la、lc、lb和lr分别为夹心定子上中下三端弹性体厚度和转子高度，ll、lt分别为纵、扭压电陶瓷晶片的厚度，p为通过碟簧作用在转子上的预压力，n为定转子间的正压力，ws为扭转振子在定转子接触表面激励的振动角速度，ωr为转子旋转运动的角速度，mt为定子表面质点交变的输出扭矩，t为作用在转子上的驱动转矩。

纵扭复合型压电超声电机的研究
本文主要研究了一种新型的压电超声电机，即纵扭复合型压电超声电机。

该电机具有结构简单、响应速度快、功率密度高等优点，因此在精密定位、自动控制等领域有着广泛的应用前景。

文章首先介绍了压电超声电机的基本原理和分类，随后详细阐述了纵扭复合型压电超声电机的结构和工作原理。

纵扭复合型压电超声电机由纵向振动和扭转振动两部分组成，两部分振动相互耦合，共同驱动电机转动。

文章对其振动模态和耦合特性进行了分析和计算，得出了电机的理论转矩和转速等重要参数。

接着，文章介绍了电机的实验制作和测试方法。

实验结果表明，该电机具有较高的转矩和转速，且输出功率密度较大，验证了理论分析的可靠性。

文章还对电机的性能进行了比较，与传统的压电超声电机相比，纵扭复合型电机具有更高的功率密度和更快的响应速度，能够满足更高的工作要求。

最后，文章对该电机的应用前景进行了展望。

纵扭复合型压电超声电机具有结构简单、响应速度快、功率密度高等优点，在精密定位、自动控制等领域有着广泛的应用前景。

未来的研究方向包括进一步提高电机的功率密度和响应速度，优化电机的控制算法和系统集成等。

综上所述，本文对纵扭复合型压电超声电机进行了深入的研究和分析，揭示了其结构和工作原理，验证了其优异的性能和广泛的应用前景。

该电机具有重要的科学研究和工程应用价值，为相关领域的发展提供了新的思路和方法。

专利名称：一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子专利类型：发明专利
发明人：李有光,赵淳生,胡佰振,姚志远
申请号：CN201310267586.3
申请日：20130628
公开号：CN103354431A
公开日：
20131016
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种纵弯复合模态夹心式超声电机振子，所述超声电机振子为左右对称结构，包括两个变幅杆、振动压电陶瓷片、中性板、绝缘套、电极片；所述的超声电机振子以中性板为中心，变幅杆在中性板两侧对称分布；振动压电陶瓷片套装在螺柱上，设置在变幅杆与中性板之间，所述的振动压电陶瓷片在整体上被分成对称布置的两组，两组压电陶瓷片个数相等且绝缘；每组内相邻两半片压电陶瓷片为一对，每对压电陶瓷片极化方向相反；且对数为偶数。

本发明的纵弯复合模态夹心式超声电机振子具有非常好的对称性，使得电机控制方式多样化，结构更简单，成本降低。

申请人：南京航空航天大学
地址：210016 江苏省南京市白下区御道街29号
国籍：CN
代理机构：南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：张惠忠
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专利名称：一种杆式贴片纵扭复合型超声电机专利类型：发明专利
发明人：杨淋,任韦豪,张蕉蕉,朱星星
申请号：CN201611266917.1
申请日：20161231
公开号：CN106936333A
公开日：
20170707
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种杆式贴片纵扭复合型超声电机，包括定子和转子组件，其中，转子组件包括第一预压转子系统、第二预压转子系统和转动轴，第一预压转子系统、第二预压转子系统分别布设在定子组件两端，且呈镜像排列；定子为空心圆管状金属基体，在金属基体中间的外圆周上切出六个相同大小的矩形平面，每隔两个矩形平面分别切出一道沿轴向分布的槽，且槽的位置设置在相邻两个平面的交接处，共设置三道槽，槽的两端设有与槽宽相等的半圆形开孔；在每两道槽之间的两个矩形平面上分别粘贴两个基于d31效应的矩形压电陶瓷片，形成一个激励单元；本发明电机定子结构更简单，纵向振动和扭转振动频率一致性较好，输出力矩大，在空间尺寸受限的场合中有其不可替代的优势。

申请人：南京航空航天大学
地址：211106 江苏省南京市江宁区将军大道29号
国籍：CN
代理机构：南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：徐尔东
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