直线驻波型超声电机的接触分析和堵转推力模型

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一种新型直线超声电动机设计

２０１）１０６
（．苏州职业大学机电工程系，苏州２５０；２１１１４．南京航空航天大学超声电机研究中心，南京
摘要：新型直线超声电动机采用面内振动的形式，以层叠式压电陶瓷材料作激振元件。通过ＡＳＳＮＹ有限元软件对电机的结构尺寸进行相应计算，并对电机装配进行了设计。经实测，电机的最大无负载速度可达ｌ０ｍ／，最大输出推力３７Ｎ，达到了预期的目的。１ｍｓ．关键词：超声电动机；面内振动子所采用的ｄ应，压电效应效
提高了３以上。当两个层叠式压电陶瓷分别通以倍
同频且相位相差９。正弦交流电，可有效激发出０的振子的一阶纵振和二阶弯振Ｊ。振子的有限元模
型如图３。
该直线超声电机的定子部分利用矩形薄板的第一阶面内伸缩振动Ｌ模态（ｌ）ｌ图ａ和第二阶面内弯曲振动Ｂ２模态（ｌ）作。这两种模态易于激图ｂ工
ｙ
√
图１直线驻波型超声电动机两种振型
发，由于振动阶次低，振动幅值也较高。通过且合理的结构设计使电机定子产生同频的一阶纵振
和二阶弯振，在定子表面合成相应的椭圆运动，利用定、动子之间的接触界面的摩擦作用，推动动子作直线运动ｕ引。为了在同一驱动频率下激励出这两个面内振动模态来实现电机的运动，必须
ｔｉｄ．ａｎｅＫＥＹＯＲＤＳ：Ｕｌａｏｉｔｒ；ＶｉｒｔｏｎｐｌｎＷｔｓｎｃｍｏｏｒｂａｉｎｉａｅ；Ｐｉｚｅｅｔｃｃｒｍｉｅｏｌｃｒｅａｃ；Ｄｅｉｎ；ＦＥＭｉｓｇ

一种新型直线超声波电动机的设计

中图分类号：Ｍ３Ｔ８文献标识码：Ａ
葺
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文章编号：０４—７１（０７Ｏ０２１００８２０）１— ０１一ｏ２
ＤｅｉｎｏｗＴｐｎａｔａｏｉｏｏｓｇｆａＮｅｙｅＬｉｅｒＵｌｓｎｃＭｔｒｒ
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图１直线驻波型超声波电动机所用的两种振型
设计的振子结构简图如图２所示。振子采用层
叠式压电陶瓷，充分利用了压电陶瓷的ｄ效应，相比一般的超声波电动机振子所采用的ｄ效应，，压电效应提高了三倍以上。当两个层叠式压电陶瓷分别通以同频且相位相差９。０的正弦交流电，可有效激发出振子的一阶纵振和二阶弯振Ｊ。振子的有限
ＡｂｔａｔＡｎｗｔｐｉｅｒｕｔａｏｉｍｏｏｔｌｌｙｒｐｅｏｌｃｒｃａｔａｏｓｗｓｐｅｅｔｄＴｅｍｏｏａｅｎｓｒｃ：ｅｙｅｌｎａｌｓｎｃｒｔｒｗｉｍｕｔａｅｉｚｅｅｔｃｕｔｒａｒｓｎｅ．ｈｔｒｂｓｄｏｈｉｉ
ｔｅｖｂａｉｎｉｌｎｆｔｅｒｃａｇｌｒｐａｅＴｅｄｍｅｓｏｓｏｅｓａｏｒｅｉｎｄｂｈＳａｋｇ．ｈｎａｎｗｈｉｒｔｎｐａｅｏｅｔｎｕａｌｔ．ｈｉｎｉｎｆｔｔｔｒａｅｄｓｇｅｙｔｅＡＮＹＳｐｃａｅＴｅ，ｅｏｈｈｓｒｃｕｅｍａｉｇｔｅｍｏｏｇｉｓａｌｔｎｅｓｌｓｄｖｌｐｄＴｅｅｐｒｎａｅｕｔｓｏｄｔａｉｋｎｆｍｏｏｔｉｅｔｔｒｋｎｔｒｎｔｌｉａｉｗａｅｅｏｅ．ｈｘｅｉｕｈａｏｙｍｅｔｌｓｌｈｗｅｈｔｈｓｉｄｏｔｒｔｎｄｒｓｔａａ

行波型超声波电动机接触模型的研究

行波型超声波电动机的仿真模型，型给出了电机模定子和转子的接触模型，并分析了电机的运行情况，以及行波型超声波电动机在不同预压力的情况下运行特性和效率。在国内，锦波Ｊ李华峰等人刘、也通过对摩擦接触模型的研究建立了电机的仿真模型。但是这些模型在建模时都将电机的定子等效成
仿真模型求解，给出了仿真结果。
１行波型超声波电动机建模
文中假设：１（）一般来说摩擦材料的刚度远远
低于金属材料，这里忽略定子和转子间摩擦接触对电机定子振动模态的影响；２（）定子和转子不会产生塑性变形。
．．
儆持电棚２７－６０盎期０１第
行波型超声波电动机接触模型的研究
徐志科，胡敏强，金龙，菊平，顾施一峰
（东南大学，江苏南京２０９）１０６
摘
要：以直径为６ｍｍ行波型超声波电动机为例，０通过对电机定子和转子接触模型的研究，得到了一种考虑
０引言
超声波电动机以其优越的特性受到广泛关注，尤其是行波型超声波电动机，它具有响应速度快、低速大转矩、输入自锁、构简单等优点。无结Ｔ．Ｍａｎ人最早利用有限元方法分析了行ｅｏ等波型超声波电动机的接触情况… ；随后Ｊ．Ｍａｓ２、ａ＿ｊ

直线型超声波电机

圆旋转运动。当把转子压紧在弹性体表面时，在摩擦力的作用下，
转子就会转动起来。定子表面开槽，是为了加大定子接触部位的振动速度，提高超声波电机的转换效率，改善电机的性能。
8.3.3转子的运动速度
由式（8-10）可知，在弹性体表面质点沿x方向的运动速度为
质点的运动速度是时间和空间的函数。在椭圆的最高点，（kx t =0 ）
从式（8-1）中消去时间 t ，则
2 ux
（8-1）
x2

2uxuy
x y
cos
2 uy
y2
sin 2
（8-2）
n (n 0， 1 ， 2， ) 时，两个位移为同相运动，合成轨迹为一直线； n n 时，其轨迹为一椭圆；时，轨迹为规则椭圆。
8.2 超声波电机的运动形成机理
8.2.1 压电效应简介 8.2.2 椭圆运动及其作用
8.2.1压电效应简介
压电效应是由法国的居里兄弟在1880年首先发现的。
正压电效应：对于晶体构造中不存在对称中心的异极晶体，
加在晶体上的应力，除了产生相应的应变以外，还在晶体中诱发出介质极化或电场。
逆压电效应：若在晶体上施加电场，从而使该晶体产生电
第8章超声波电机
8.1 概述 8.2 超声波电机的运动形成机理 8.3 环形行波型超声波电机
8.4 行波型超声波电机的驱动与控制
8.5 其他类型的超声波电机 8.6 超声波电机的应用
8.1概述
超声波电机是利用压电材料 (压电陶瓷 )的逆压电效应，把电能转换为弹性体的超声振动，并通过摩擦传动的方式转换为运动体的回转或直线运动的新型驱动电机。电机驱动电源的频率一般高于 20kHz，已超出入耳所能采集到的声波范围，因此称为超声波电机。超声波电机是典型的机电一体化产品。虽然仅有三十多年的发明和发展历史，已在航空航天、机器人、精密仪器、医疗设备等诸多领域已得到了很好的应用。目前仍是国内外开发研究的热点。 1. 超声波电机的特点（1）低速大转矩。（2）无电磁噪声，电磁兼容性好。（3）响应快、控制特性好。（4）断电自锁。（5）运行噪声小。（6）结构形式多样。（7）摩擦损耗大，效率低。（8）寿命短。

纵弯模式驻波直线超声波电动机原理与设计

（华侨大学，福建泉州３２２）６０１
摘要：提出了一种基于薄板面内振动的纵弯模式驻波直线超声波电动机。利用定子一阶纵振和二阶弯振的
复合振动使得定子驱动足上质点的运动轨迹为椭圆，两驱动头的上方紧压一直线导轨，动头的椭圆运动通过两在驱
一
部分，一是矩形薄板压电陶瓷，料为ＰＴ８结构材Ｚ－，
尺寸为６４ｍｍ￣６ｍｍｘ１３ｍｍ；是振动片，料为二材
磷青铜，面有两个驱动头尺寸为３ｍｍｘ上３ｍｍｘ３
ｍ对称分布在振动片长边的中间位置，头中心ｍ，两
ｕｔ１ｉｎ
０引言
直线超声波电动机作为超声波电动机的一个分类，也是利用压电元件的逆压电效应和弹性体的它超声振动，通过定子与动子之间的摩擦作用，弹性把体的微幅振动转化成为动子宏观的直线运动，直接推动负载 ‘ 。直线超声波电动机具有体积小、应１Ｊ反快、受磁场干扰、位准确等特点，用于真空环不定适境，需运动转换机构，以直接驱动。本文提出了无可
者的接触表现为导轨的左右直线运动。讨论了该电机的驱动机理，对电机的输出特性做了初步的实验研究。并关键词：直线超声波电动机；矩形薄板；面内振动；纵弯模式；动振子驱中图分类号￣Ｍ３３Ｔ８文献标识码：Ａ文章编号：０４７１（００１ — ０８０１０－０８２１）２０１ — ３

可实现直线或旋转运动的超声电机驻波驱动振子[发明专利]

专利名称：可实现直线或旋转运动的超声电机驻波驱动振子专利类型：发明专利
发明人：陈维山,张帆,刘军考
申请号：CN03132540.8
申请日：20030730
公开号：CN1474503A
公开日：
20040211
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：可实现直线或旋转运动的超声电机驻波驱动振子，它涉及超声电机应用领域。

目前所有的直线或者作旋转运动的超声电机普遍存在输出力或力矩不大的缺陷。

本发明的目的在于提供一种结构简单、能实现双向驱动的超声振子，它包括夹心式换能器(1)，两个夹心式换能器(1)通过支架(2)进行位置固定，经支架(2)固定后的两个夹心式换能器(1)之间形成的夹角(θ)为0～180°之间的角，支架(2)连接在夹心式换能器(1)的节面处。

本发明可以实现高速、大功率输出的超声电机并且能够实现双向运动，采用这样振子的超声电机理论上可以达到上千瓦的输出功率，能够重载高速运行，它结构简单，成本低，适于批量生产。

申请人：哈尔滨工业大学
地址：150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
国籍：CN
代理机构：哈尔滨市松花江专利商标事务所
代理人：张伟
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v形直线超声波电动机运动分析和实验

v形直线超声波电动机运动分析和实验超声波电动机是一种利用超声波驱动的非接触式电机，具有良好的静态性能和动态性能。

V形直线超声波电动机是一种新型的超声波电动机，具有高速、高精度、无摩擦、低噪声、低耗能等优点，可以实现位置控制及高精度定位。

本文分析了V形直线超声波电动机的运动特性，并对其运动模型进行了仿真，并完成了实验。

一、V形直线超声波电动机的结构V形直线超声波电动机由超声波驱动器、杆架和超声波电机组成。

超声波驱动器由振膜、振子、同步绕组、存储垫等组成，负责将电能转换为超声波能量；杆架是一种非接触式导向件，负责把超声波能量传递到超声波电机；而超声波电机是真正实现电能转换为机械能量的核心部件，它是由电感线圈绕制成的，当超声波能量输入时，可以产生电流，从而实现机械能的转换。

二、V形直线超声波电动机的运动特性分析V形直线超声波电动机的运动依赖于超声波驱动器对存储垫的不同调制方式，可以分为持续输入、位移输入和速度输入三种模式。

1.持续输入模式在持续输入模式下，超声波驱动器持续发出超声波，其频率与输入频率相同，此时超声波电机呈现出持续运动的特性，具有较高的转速和较小的加速度。

2.位移输入模式在位移输入模式下，超声波驱动器发出的超声波频率与持续输入模式不同，具有更大的波峰和波谷，从而形成了位移调制，使超声波电机具有较大的推力和较大的加速度。

3.速度输入模式在速度输入模式下，超声波驱动器发出的超声波频率与位移输入模式不同，具有更小的波峰和波谷，从而形成了速度调制，使超声波电机具有较小的推力和较小的加速度，此时平均速度较高。

三、仿真实验1.仿真模型为了研究V形直线超声波电动机运动特性，采用Matlab/Simulink建立了仿真模型，仿真模型共分为四部分：超声波驱动器模型、杆架模型、超声波电机模型和控制器模型。

其中，超声波驱动器模型是模拟超声波驱动器输出调制信号，杆架模型模拟超声波在杆架中传播情况，超声波电机模型模拟超声波在电机中的动态传播及转换，控制器模型模拟控制器的设定及状态判断等操作。

新型行波直线超声电机的结构与有限元分析

第42卷第3期2022年6月振动、测试与诊断Vol.42No.3Jun.2022 Journal of Vibration，Measurement&Diagnosis新型行波直线超声电机的结构与有限元分析*杨淋1，陈亮1，2，任韦豪1，张蕉蕉1，3，唐思宇4（1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京，210016）（2.中国科学院微小卫星创新研究院上海，201210）（3.陆军工程大学野战工程学院南京，210007）（4.南京航达超控科技有限公司南京，211100）摘要提出了一种新型行波直线超声电机结构，该电机利用2个固有频率接近的面内弯曲模态叠加形成沿周向传播的行波，从而驱动动子做直线运动。

首先，基于有限元法建立了考虑定、动子三维接触的整机动力学模型，对定子结构尺寸进行设计；其次，通过该模型分析了定、动子之间的接触力传递过程、电机的驱动机理、电机稳定运行时驱动足的椭圆运行轨迹、电机的启停特性以及不同输入参数下电机的输出性能等动力学特性；最后，试制原理样机，搭建实验平台对电机性能进行测试。

研究结果表明：该电机工作原理可行，机械输出性能良好；所建立的有限元模型合理，使用该模型能预测电机的性能，并进一步指导电机的设计及优化。

关键词行波；直线超声电机；有限元法；动力学模型中图分类号TH111；TH122；TH113引言随着20世纪40年代压电陶瓷材料的发现，一系列基于压电陶瓷逆压电效应的压电作动器应运而生［1‑3］。

超声电机作为一种新型作动器，具有结构紧凑、断电自锁、响应速度快和定位精度高等优点，在航空航天、光学仪器和精密定位系统中具有广阔的应用前景［4‑5］。

直线超声电机（linear ultrasonic motors，简写为LUSM）作为超声电机的重要分支，近年来得到了迅速发展。

按照驱动足上椭圆运动轨迹的形成方式，LUSM可分为单模态LUSM［6］和复合模态LUSM［7‑9］。

v形直线超声波电动机运动分析和实验

v形直线超声波电动机运动分析和实验V形直线超声波电动机无论从发展的历史，应用的领域，还是使用的结构上来说都有其独特的优势。

它的特点就是具有超声波发生器、接收器、调制器和控制器等组成，它们之间耦合，具有良好的运动灵活性和可靠性，可以作为便携式电气装置使用，非常实用。

V形直线超声波电动机是一种特殊的直线电动机，它属于一类非晶体薄膜（film）电动机，它有着强大的负载能力和运动灵活性，并且在不同的加载情况下也能保持其良好的工作性能。

它的结构包括电极、膜片、发声器、接收器和控制器等。

V形直线超声波电动机的运动分析是设计和应用的基础，其分析方法主要包括数学模型建模法、数值分析法和实验测量法。

前两种方法在研究V形直线超声波电动机时广泛使用，建模方面主要是采用传统空间结构运动方程，建立不同控制器下的运动力学特征；数值分析方面，则是通过电路模拟等相关技术，对V形直线超声波电动机的特性、稳定性、加速度等物理量进行详细分析；实验测量方面，则是通过相关计量技术，对V形直线超声波电动机的运动学特性进行定量的分析和测量。

V形直线超声波电动机的实验测量是其应用前提，涉及到诸如发声器膜片厚度、调制器结构、控制器类型等问题。

通常是在实验室中模拟V形直线超声波电动机的工作环境，采用控制反馈控制方式以及多路数据采集系统，对实验样机进行操作，同时采集数据，进行参数测量与分析，以确定V形直线超声波电动机工作状态，为今后应用提供有价值的参考。

综上，V形直线超声波电动机具有结构简单、容易携带等优点，可以广泛应用于智能机器人、航天系统、便携式仪器、水泵、安全监控、精密测量和海洋科学研究等领域，不仅能够满足运动控制和定位精度的要求，还有助于更好地实现智能化系统，实现加速度、测距、方向定位等功能，具有广泛的应用前景。

V形直线超声波电动机实验是其应用研究中必不可少的一部分，实验要求控制器、电路设计、数据采集、实验装置等多方面要求的综合完善，而V形直线超声波电动机的运动分析与实验测量也是极其重要的一环，通过对其运动学特性的分析和测量，我们将能够根据不同的应用场景，为V形直线超声波电动机的研究和应用提供指导和参考，更好地实现系统的智能化控制和定位功能。

一种不对称激励直线型驻波超声电机的研究

收稿日期:2008210207 基金项目:国家自然科学基金资助项目(30670524);国家高技术研究发展基金资助项目(2006AA04Z226) 作者简介:李世阳(19702),男,河南新乡人,助理研究员,研究方向为超声电机及其优化设计。

文章编号:100422474(2009)0520658203一种不对称激励直线型驻波超声电机的研究李世阳,杨　明,何　巍(上海交通大学电子信息与电气工程学院,上海200240) 摘　要:设计研制了一种新型的不对称激励的单足直线型驻波超声波电机,电机定子为一块尺寸为26mm ×13mm ×2mm (X ,Y ,Z )矩形铜板和对称粘结其上表面的两块压电陶瓷片组成的复合结构。

电机只有一种振动模态且只需单一频率驱动,利用不对称激励使驱动足端产生椭圆运动,不需调整不同模态的频率一致性,结构简单。

通过有限元分析确定了电机的结构尺寸,由谐响应分析对电机的激励工作机理进行了分析。

最后对制作的样机进行了实验测试,试验结果与理论设计一致。

在激励电压为150V ,激励频率为151.9k Hz 的激励条件下,测得电机最大输出推力为0.855N ,电机速度为260mm/s 。

关键词:直线型超声波电机;驻波;不对称激励;有限元法中图分类号:TM35 文献标识码:AStudy of a Standing W ave Linear 2type U ltrasonic Motor by Asymmetric ExcitingL I Shi 2yang ,YANG Ming ,HE Wei(School of Electronic Information and Electrical Engineering ,Shanghai Jiaotong University ,Shanghai 200240,China ) Abstract :A novel standing wave linear ultrasonic motor with single driving foot and by asymmetric exciting has been developed.The laminated plate stator consists of one rectangular brass plate ,which has the size of 26mm ×13mm ×2mm (X ,Y ,Z ),and two piezoelectric ceramic plates bonded on the surface of the stator.The motor has only 2one mode and is excited by one f requency.Elliptic motion is formed on the driving foot by asymmetric exciting.The motor has simple structure.The dimensions of the stator are determined caref ully using the finite element method.The motion of the motor is analyzed by harmonic response analysis.Then ,the prototype motor is tested experimen 2tally.The test result is close to the design.When a sine signal with driving voltage of 150V and driving f requency of 151.9k Hz is applied ,the velocity reaches 260mm/s and the maximum thrust force reaches 0.855N.K ey w ords :linear ultrasonic motor ;standing wave ;asymmetric exciting ;finite element method 直线超声电机作为超声电机的一个分类,具有定位精度高,低速大力矩,直接驱动负载等优点,适合于小型、精密直线运动装置的驱动和控制。

驻波型平面超声电机的设计研究的开题报告

驻波型平面超声电机的设计研究的开题报告一、研究背景及意义超声电机是将机械能直接转化为超声波的电机，具有快速、高效、精度高等特点，适用于微型机械设备、光学设备、医疗设备等领域。

其中，驻波型平面超声电机由于其体积小、结构简单、振动方向固定等特点，在精密定位、调整等领域有着广泛应用。

然而，当前驻波型平面超声电机的研究主要集中于单点共振结构，研究中对多点驻波结构的探究较少。

因此，本研究将基于多点驻波结构，开展驻波型平面超声电机的设计研究。

通过优化结构设计和调整控制参数，提高驻波型平面超声电机的输出效率、精度和稳定性，进一步推动超声电机的应用领域拓展和实际应用。

二、研究内容与方法本研究将以多点驻波超声电机为研究对象，重点开展以下内容：1.针对驻波型平面超声电机的多点驻波结构进行仿真分析，探究不同结构参数对驻波效果的影响。

2.设计并制备多点驻波型平面超声电机样品，基于实验数据优化结构参数，进一步提高驻波效率和稳定性。

3.开发驻波型平面超声电机控制系统，应用比例积分微分（PID）控制算法，调整控制参数，提高驻波型平面超声电机的控制精度和稳定性。

4.对实验数据进行分析，测试驻波型平面超声电机的输出能力和稳定性，验证研究结果的正确性和可靠性。

本研究将采用理论分析和实验研究相结合的方法，通过仿真分析、制备样品、开发控制系统和实验测试等环节，深入探究多点驻波型平面超声电机的设计原理和优化方法。

三、预期成果与意义预计本研究将获得以下成果：1. 探究驻波型平面超声电机的多点驻波结构的原理和特点，为超声电机的设计提供新思路和方法。

2. 设计、制备并验证了多点驻波型平面超声电机样品，进一步优化结构参数和控制模式，提高了其输出效率和稳定性。

3. 开发了驻波型平面超声电机控制系统和控制算法，实现了对驻波型平面超声电机的高效、精准控制。

本研究成果的实现将推动超声电机应用技术的发展和创新，推动超声电机在微型机械器件、光学器件、医疗设备等领域广泛应用，具有重要的科学研究意义和社会经济价值。

v形直线超声波电动机运动分析和实验

v形直线超声波电动机运动分析和实验V形直线超声波电动机作为一种新型的高性能的电机，具有结构简单、体积小、运行效率高、维护成本低等优点，受到了越来越多的关注。

V形直线超声波电动机在机械制造、海洋工程、航天航空等领域有着广泛的应用前景。

本文针对V形直线超声波电动机的运动特性进行了分析，并将理论分析与实验结果相结合，从而对V形直线超声波电动机的运动模型提出了改进。

1、V形直线超声波电动机简介V形直线超声波电动机是一种新型的电机，由横轴、纵轴和凸轮组成，其结构简单，体积小，运行效率高，维护成本低，因而受到人们的关注。

V形直线超声波电动机的特殊之处在于，它将横轴、纵轴和凸轮相结合，当横轴和纵轴同时运动时，凸轮可以在其上形成V形运动轨迹。

有利于提高转矩和扭矩，使超声波电动机具有较高的扭矩和转速，广泛应用于机械制造、海洋工程以及航天航空等领域。

2、V形直线超声波电动机的运动分析V形直线超声波电动机的运动分析是指对超声波电动机的横轴、纵轴和凸轮的运动轨迹进行分析，以及凸轮的转动方向和力学运动规律的分析。

2.1、横轴和纵轴的轨迹分析V形直线超声波电动机的横轴和纵轴同时运动，其轨迹为双曲线，横轴左右移动，纵轴上下移动，两者的运动轨迹形成U形轨迹，横轴和纵轴的交点位于U形轨迹的下端。

2.2、凸轮运动规律分析V形直线超声波电动机的凸轮随着横轴和纵轴的同时运动而旋转，形成V形轨迹，凸轮的转动方向和横轴的运动方向总是相反的，凸轮的转动速度与电机的转速成正比，且与横轴运动的最大角度成反比，即当横轴的运动角度越大，凸轮的转动速度越小。

3、V形直线超声波电动机的实验结果为验证V形直线超声波电动机的运动模型，我们进行了实验，利用高速相机拍摄分析凸轮和横轴在不同工况下的运动轨迹，结果显示，V形直线超声波电动机的横轴和纵轴的运动轨迹和理论分析的结果基本一致，且凸轮的转动方向和横轴的运动方向总是相反的，凸轮的转动速度随横轴的最大角度的变化而变化，与理论分析的结果一致。