60mm旋转行波超声电机的设计与工艺开题报告

一、选题的依据及意义
在当今21世纪，随着电子信息技术的不断发展和计算机的广泛应用。控制技术同样也得到迅猛的发展。在当前的控制技术中，必然有一个实现驱动和控制的微电机伺服系统，这个系统很大程度上决定了系统整体性能的好与坏。为了使微电机伺服系统达到灵活性、快速性、简便性控制的要求，多年以来，国内外的科技界和工业界一直致力于研究各种新型微型电机。其中，性能卓越的超声波电机利用压电陶瓷逆压电效应产生超声振动，并将这种振动通过摩擦耦合来直接驱动转子和滑块的旋转。这种直接用于驱动的电机从20世纪80年代以来就深受世界各国科研工作者的青睐。现已成为机电控制领域的研究热点。
这种电机打破了传统的电机概念，不是通过电场的相互作用将电能转换成机械能，没有电磁绕组和磁路，不以电磁的相互作用传递能量。而是利用电能产生超声振动获得驱动力，通过摩擦耦合将动力转换成转子或滑块的运动。相对于传统的电机而言，它惯性小、响应快、可控制性好、不受磁场影响、同时本身也不产生磁场、定位精度高等特点。它还具有重量轻、结构简单、效率高、噪音小、低速大转矩、可直接驱动负载等特性。由于直接驱动负载，避免了使用齿轮变速而产生的振动噪音、间隙以及低效率、难控制等一些问题。所以说，超声电机是一种全新的自动控制执行元件，也是一种崭新的传统的传动模式，是对传统电磁驱动原理的突破和有力的补充。 [来源：http://Doc163.com]
超声电机可采用不同的振动模式来产生驱动力，因而可研制出多种不同的超声电机，包括驻波型、行波型，其中又包括直线型、旋转型、纵向振动型、纵-扭复合型等。而旋转型行波超声电机是所有类型中结构较简单、用途最广泛的一种，也是最有发展前景的一种。
从超声电机的发展历史来看，在1942年，美国的Williams和Brown就提出了超声电机的原始思想。1982年，日本科学家指田年生成功研制了行波超声电机。这标志着超声电机应用到了实际的生产生活中。经过这四十年里的努力，完成了从设想到现实的转变。在当今这个社会，超声电机的应用涉及到航空、航天、汽车制造、生物工程、化工、医学等领域。具体有照相机的镜头调焦、驱动装置的精确定位、阀门控制、机器人关节的驱动、核磁共振装置中的应用等方面。正是因为超声电机的独特特点，它可广泛用于机器人、微型机械的驱动、精密仪器的驱动、强磁场环境下设备驱动装置等。据有关专家预测：随着超声波电机的卓越性能日益被人们认识和采用，它将在较大程度上替代小型电磁微型电机。同时，超声波电机的推广应用和它的驱动控制技术密不可分的，只有结合有效的控制方法和控制策略，才能发挥超声波电机的卓越性能。
对于超声电机的研究与开发，将不断完善电机方面的理论知识和丰富电机的产品的类型，并极大地促进工业智能化、自动化的发展。将取代传统的小型或微型电机。并能够在上述领域得到广泛的应用，并促进该领域的技术革新。因此，对超声电机的研究有着非常重要的科学意义，同时还有广泛的应用的前景和良好的实用价值。

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二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）
超声波电机是国内外日益受到重视的一种新型直接驱动电机。与传统的电磁式电机不同，超声波电机没有磁极和绕组，不依靠电磁介质来传递能量，而是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过各种伸缩振动模式的转换与耦合，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或者滑块的宏观运动。在其研究和发展过程中，曾有很多不同的命名，如振动电机、压电电机、声表面波电机、超声马达等，现在国内比较常用的称谓是超声电机或超声电机。超声波电机具有功率密度大、无电磁干扰、低速大转矩、动作响应大、运作无噪声、无输入自锁等卓越特性，在非线形运动领域要比传统的电磁电机性能优越得多。超声波电机在工业控制系统、启齿专用电器、超高精度测量仪器、办公自动化设备、智能机器人等领域有着十分广阔的应用前景，近年来备受科技界和工业街的重视，是当前非连续驱动控制领域的一个研究热点。
1.超声波电机的国外研究
日本的超声波电机及其驱动控制的产业化应用处于世界领先的地位，它掌握着世界上大多数的超声波电机的制造与控制技术的发明专利，几乎所有的知名大学和研究所都在进行研究，如东京大学、东京工业大学、东京农工大学、山形大学等都至少有一个属于本校的超声波电机研究小组，或进行理论分析研究、或进行新原理、新结构的超声电机的研究、或进行超声波电机控制专用芯片的集成。日本参与研发、商业制造及销售的大公司更多，如佳能公司、新生公司、本多公司、松下公司、美能达公司、尼康公司精工和NEC公司等。近10年，日本的超声波电机进入了实用化的商业应用阶段。 [版权所有：http://DOC163.com]
由于日本在超声波电机及驱动控制领域所获得的极大成功和较高的商业利润，美、英、法、德等国不甘落后，紧随日本之后，各自在相关的超声波电机及其驱动控制、新结构、新原理、新的应用领域等方面取的了一定的研究成果。
美国的密苏里大学（Missour-Rolla）主要从事电机工作时定子与转子之间的接触模型以及接触力对电机寿命影响的研究，并同Allied Signal Aerospace公司合作进行行波超声波电机加工工艺及其控制技术的研究。MIT的航空航天系和人工智能中心研制出直径仅为2mm的超声马达，还开发了具有双齿面的行波型超声马达。同时与美国国家航空宇航局（NASA）的喷气推进实验室、材料研究室共同研究开发了用于火星探测器操作臂关节驱动的大力矩超声波电机。
英国的伯明翰大学（Birmingham）主要从事基于“谐波齿”理论的超声波电机的研究，以及实现超声波电机高精度的定位控制、探索开环的可控性等研究。
德国Paderborn大学的J.Wallaschek所领导的科研小组主要从事超声波电机振动分析和动态接触等方面的研究，如：线性、旋转行波电机的振动分析和动态接触问题，电机的线性和非线性振动稳定性问题，电机运动的控制问题，复合材料的动态特性以及结构的阻抗匹配研究等。 [资料来源：http://Doc163.com]
法国的Cedrat Recherche研究所借助光学干涉仪及电测量的方法，对所研究的线性电机定子的切线振动位移、法线位移、切线振动速度、法线力因子做了系统的测试和评估。另外，还有许多国家陆续参与到研究超声波电机及其驱动控制技术的研究中来。但是，目前大多数其他国家主要侧重于驱动控制技术的研究和实际应用。
2.超声波电机国内得研究现状
国外超声波电机获得成功应用被多次报道，因而在20世纪的80年代末期到90年代的初获得我国科学工作者得关注。虽然我国超声波电机及其驱动控制技术得研究起步较晚，但发展迅速。
1986～1990年间，四川压电与声光技术研究所得刘大春、刘一声等人将日本得有关超声波电机得研究情况陆续介绍到国内。
进入20世纪90年代以来，随着国内得科研人员从国外学成回国，国内的超声波电机得试制工作逐步进入正轨，国内除了东南大学外，有多个高校加入到超声波电机的研究行列，主要有清华大学、南京航空航天大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等国内著名高校，还有中科院、电子工业部21所、长春光机所等科研院所，对典型的几种超声波电机的运行原理、数学建模、仿真计算、样机制作、驱动技术及恶劣测试等进行研究，并取得一大批的研究成果。现在国内有《压电与声光》、《现代科技译丛》、《国际科技消息》、《微电机》等刊物介绍超声波电机。 [资料来源：Doc163.com]
东南大学研制的系列行波型、步进型和柱状夹心式超声波电机样机水平已接近使用要求，直径为100㎜的均压行超声波电机及超声波电机多功能驱动控制装置分别获得国家专利；南京航天航空大学研制出多种结构型式的样机，如环形行波型超声波电机、双面齿型、圆板型、驻波型超声波电机；清华大学则研究了目前国内直径最小（1㎜）的超声波电机，有望在心脏的微循环系统中应用，环形中空用超声波电机的样机已进行优化设计；浙江大学研制了大力矩和高重复定位精度的纵扭复合型超声波电机；华中科技大学研制了大扭矩行波型超声波电机并对转子尺寸和形状对输出功率和输入转矩得影响作了深入的研究。国内所研制的超声波电机已接近实用要求并渴望逐步实现批量生产，有些拟用于军工的导弹引导装置，有些电机的产业化应用前景被国内大型企业和传统电机生产厂家看好。
三、研究内容
设计一台直径为60mm的板式旋转行波超声电机，要求
(1)    定子外径为60mm，工作振动模态为B09，模态频率在  kHz之间；

（2）额定转矩 0.5 Nm，堵转力矩 0.8 Nm，最大输出功率 3W；

（3）额定转速50 r/min，转速范围10~100 r/min；
（4）质量m 300g，外观尺寸l×b×h≤70mm×70mm×30mm； [资料来源：http://doc163.com]

（5）工作温度T ，适应环境温度为－25 oC~55 oC；

（6）启、停响应时间ts ；

（7）工作电压为130 Vrms。
四、研究方案（技术路线）及及优化方案
●研究路线：
●优化方案：
在超声波电机的定子固定频率和工作模态的计算方面，利用解析法和有限元分析理论进行求解，并结合ANSYS有限元分析软件进行模拟仿真。
五、目标、主要特色及工作进度
    目标：
通过超声电机中定子与转子设计和其他相关方面的研究，设计出来一台符合要求的超声电机。
    主要特色：
超声电机一种具有全新原理和结构的新概念电－机能量转换装置超声电机利用压电材料（通常是压电陶瓷）的逆压电效应，借助于定子弹性体的弹性谐振作用把电能转换为微米级幅度的机械振动，再通过定子与转子（或动子）之间的界面接触过程和摩擦作用把定子的微幅振动转换为便于为人们利用的转子（或动子）的宏观转动（或直线运动），并在这个过程中实现电能到机械能的转换。

工作进度：
1. 查阅相关资料，外文资料翻译（6000字符以上），撰写开题报告。  第1周—第2周 [资料来源：http://doc163.com]
3. 初定定子的结构尺寸，选定定子工作模态；             第3周—第4周
4. 电机主要部件（定子、转子）的设计与计算；           第5周—第8周
5. 绘制电机的装配图及其各零件工作图；                 第9周—第12周
6. 定子加工的工艺编制；                               第13周
7. 撰写毕业论文；                                     第14周—第16周
7. 答辩准备及毕业答辩。                                     第17周

六、参考文献
[1] 胡敏强，金龙. 超声波电机的原理与设计，北京：科学出版社，2005
[2] 赵淳生. 超声波电机技术及其应用，北京：科学技术出版社，2007
[3] 尹燕丽. 超声马达及其驱动控制系统. 洛阳工学院硕士学位论文，2004
[4] 贺红林. 超声电机及其在机器人上的应用研究. 南京航空航天大学博士学位论文，2006.11
[5] 石斌. 环形行波超声马达及其驱动控制的研究. 东南大学博士学位论文，2001
[6] 上羽贞行，富川义朗. 超声波马达理论与应用.上海：上海科技出版社，1998
[7] 赵淳生. 21世纪超声电机技术与展望. 振动、测试与诊断，2000.1
[8] 陈永校，郭吉丰. 超声波电动机. 杭州：浙江大学出版社，1994
[9] 胡敏强．超声电动机的研究及其应用。微特电机，2000，（5）：8-24
[10] 赵淳生，李朝东．日本超声电机的产业化，应用和发展．振动，测试与诊断，1999，19（1）：1-7
[11]  Heiner Storck，Jorg wallaschek. The effect of tangential elasticity of the contact layer between stator and rotor in traveling wave ultrasonic motors. Int. journal of non-linear Mechanics 2003(38):143-159 [资料来源：http://www.doc163.com]
[12] J.L Pons,H.Rodriguea，M.Villegas,et al. Parametrical optimization of ultrasonic motors. Sensor and Actuator ,2003 A 107:169-182
[13] A. M. Flynn, et al. Piezoelectric micromotors for microrobots.  J. of MEMS, 1992,1(1): 44-51.

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