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1、编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目： 旋转行波超声电机结构设计 信机 系 机械工程及自动化 专业学 号： 学生姓名： 指导教师： （职称：副教授 ） 2013年5月25日3无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚 信 承 诺 书全套图纸，加153893706本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） 旋转行波超声电机结构设计 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械94 学 号： 0923206 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日无锡太湖学院
2、信 机系 机械工程及自动化 专业毕 业 设 计论 文 任 务 书一、题目及专题：1、题目 旋转行波超声电机的结构设计 2、专题 超声电机的结构设计 二、课题来源及选题依据 传统的电机如电磁电机或者直流电机在使用中往往受到很多方面的限制，在某些特定的环境下如真空中，或者不可有磁场影响的环境下往往无法发挥良好的性能。为此，一种新型的电机的设计对于人们的各行各业的使用开始至关重要。 超声电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应，依靠定子和转子的摩擦耦合从而获得能量。超声电机具有结构简单，体积小，耐高温等特点，这些特点让超声电机可以在航空航天，汽车，磁悬浮列车等方面能发挥无可取代的作用。 三、本设计（论文或
3、其他）应达到的要求： 熟悉超声电机的历史及发展历程，对超声电机的适用领域及特点性能有全面的了解； 充分解析超声电机的工作原理以及各部件的作用； 掌握ANSYS有限元分析软件对超声电机的可行性进行分析，确定超声电机的可行性； 对超声电机的可行性进行分析，得到超声电机的可行性理论值，与ANSYS 分析得到的结果进行对比，确定超声电机的可行性模态； 对超声电机的各部件尺寸进行设计，并且绘制出各零件的零件图以及装配图； 四、接受任务学生： 机械94 班 姓名 五、开始及完成日期：自2012年11月7日 至2013年5月25日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名 签名 签名教研室主任学科组组长研
4、究所所长签名 系主任 签名2012年11月7日摘要超声电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激励弹性体产生谐振作用，把电能转换成微米级振幅的振动，再依靠定子和转子之间产生的摩擦耦合将这细微振动扩大为转子及与之相联的轴的旋转运动。与传统电磁电机相比，具有质量小、结构简单、高效率、低噪音、低速大转矩和可以直接驱动负载等特点。在航空航天、精密仪器、生物医学与许多重要领域等具有广阔的应用前景。适应于工程上对超声电机的需要，本文设计了一种旋转型行波超声电机，主要完成了以下工作：1.总结分析了国内超声电机技术的现状、发展及所存在的问题；2.阐释了旋转行波超声电机的运动机理；3.利用ANSYS软件建立了超声电机定
5、子的数学模型，利用模型对定子的工作模态进行分析并计算，确定超声电机的定子的工作模态；4.完成了直径超声电机的装配图和零件图的设计;关键词：超声电机；模态分析；设计IIIAbstractUltrasonic Motor uses the effect of Piezoelectric from Piezoelectric ceramic, and it produce the effect of resonance excitation by the Active Materials. That the electrical energy transform to the micro-defor
6、mations. To propel the rotor and the drive shaft connected to it though the amplification of the micro-deformation of the active material that depends on friction at the interface between rotor and stator.The Ultrasonic Motor offer light mass, simply constructions, high torque density at low speed,
7、low noise, efficient and actuate directly to the load. Ultrasonic motor in the aviation and aerospace, precision instruments, bio-medicine and a number of important areas has broad application prospects.Projects adapted to the needs of the ultrasonic motor, In this paper, the design a rotary traveli
8、ng wave type ultrasonic motor, the main completed the following work:1. Summary analysis of the domestic status of ultrasonic motor technology, development and the problems;2. To explain the rotary traveling wave ultrasonic motor of the movement mechanism;3. The use of ANSYS software, the establishm
9、ent of a ultrasonic motor mathematical model, using the model of the work of the stator modal analysis and calculation to determine a stator ultrasonic motor mode of work;4. Completed a ultrasonic motor assembly drawings and parts of the design plan;Key word: Ultrasonic Motor ; Modal Analysis; Desig
10、nIII目录摘 要IIIAbstractIV目录VII1 绪论11.1 超声电机的定义11.2 超声电机的特点11.3 超声电机的发展历史21.4 超声电机的应用及发展前景41.5 本次课题的研究方向及安排42 旋转行波超声电机的工作原理52.1 引言52.2 旋转行波超声电机的机械结构52.3 超声电机的工作原理52.4 压电陶瓷的工作原理62.5 定子行波的产生72.6 定子表面质点运动分析82.7 本章小结103 定子模态分析计算113.1 导言113.2 固有频率的理论计算113.2.1 共振频率计算113.2.2 共振振幅的计算133.3 定子建模分析143.3.1 ANSYS软件简
11、介143.3.2 ANSYS定子建模153.3.3 定子分析183.4 本章小结204 结构设计214.1 导言214.2 设计流程214.3 定子机构设计224.3.1 定子内外径设计234.3.2 模态阶数选择和振动模态设计234.3.3 定子厚度244.3.4 驱动齿设计244.3.5 内支撑板设计244.4 转子设计244.5摩擦层设计264.6 设计结果264.7 电机设计结果装配结构274.8 本章小结295 结论与展望305.1 全文主要内容305.2 工作展望305.3 心得体会30致 谢31参考文献32V旋转行波超声电机结构设计1 绪论1.1 超声电机的定义超声电机又叫做超声
12、马达。超声电机利用压电材料的逆压电效应。实现电能对机械能的转化。相对于传统电机不同，超声电机是利用超声波频率范围内的机械震动作为驱动源的驱动器。超声电机的英文名为Ultrasonic motor。简称为USM。1.2 超声电机的特点超声电机是一种新型的电机，它与传统意义上的电机无论是在使用上还是原理上都有很大的不同。超声电机具有以下几个特点1）超声电机的能量转换方式不同于传统电机。传统的电机，如异步电机等是通过电场的相互作用酱电能转换成机械能，电机的定子和转子并不直接接触，定转子间是有间隙的。通过电源供电产生电能，经过定子和转子上的线圈产生磁场，磁场力作用于转子，产生机械能。可以看出传统电机的
13、机械能主要靠电磁感应作用由电能转化而来。而超声电机不同于传统电机，超声电机的定子和转子是靠摩擦耦合将动力转换成转子或滑块运动，定子和转子是需要直接接触。因为超声电机不靠电磁感应原理来实现能量转换，所以超声电机不需要刺激和绕组。超声电机利用逆压电效应，在定子上粘贴上压电陶瓷元件，同时对压电陶瓷原件上施加交变电压，使定子产生高频机械振动，振动产生的定子和转子间的摩擦力使转子做定向的回转或直线运动。所以超声电机存在两种能量转换1.压电陶瓷利用逆压电效应实现电能对机械能的转换。2.定转子之间摩擦产生的机械能转换1。2）超声电机具有转速低转矩大的特点。图1.1和图1.2分别为电磁电机和超声电机的转矩/效率-速度曲线图。由图可见，超声电机在小转矩，大转速的情况下效率高。而在低速大转矩的情况下效率则比较低下。 图1.1图1.23）超声电机具有体积较小，重量轻。超声电机依靠定子和转子的摩擦耦合获得机械能，不需要线圈和磁铁，因此相较于普通
