基于ANSYS的环形行波型超声波电机(2)
目前，世界各国对超声波电动机的研究极为活跃，超声波电动机的研究趋向多元化。例如，美国利用其先进的材料和IC工艺研制出的微型超声波电动机，其尺寸仅有数百微米(250mm´500mm´2mm)，驱动电压的典型值是5V，最低为1.5V，转速为150r/min。而大型超声波电动机的扭矩达400N×m。[3]
1.2 课题研究的现实意义
超声波电机以其新颖的工作原理和独有的性能特点，引起人们的广泛的注意。它有着很好的应用前景。其应用领域涉及到航空航天、汽车制造、生物工程、机器人、仪器仪表、医学等领域。从目前的研究情况来看，超声波电机产品可用于照相机的自动聚焦系统的驱动器；航空航天领域自动驾驶仪伺服驱动器；机器人或微型机械自动控制系统的驱动器；高级轿车门窗和座椅靠头调节的驱动装置；窗帘或百叶窗自动升降装置；CD光盘唱头驱动装置；精密仪器仪表、精确定位装置；医学领域，如人造心脏的驱动器、人工关节驱动器；强磁场环境条件下设备的驱动装置，如未来的磁浮火车；不希望驱动装置产生磁场的场合，如磁通门的自动测试转台等。[4]可以预言，随着超声波电机在工业界的成功应用，将会发生一场新的技术革命。
1.3 国内外研究概况
1.4 行波型超声波电机的原理及应用
行波超声波电机主要由定子、转子及驱动与控制装置组成。行波型超声波电机是借助于行波的周向传播来驱动转子转动的，行波使定子与转子相接触的表面质点沿椭圆轨迹转动，利用定子与转子接触处的摩擦力推动转子转动，这是行波型超声波电机传动的最基本的工作原理[12]。
利用这个基本原理，人们制造出了各式各样的行波型超声波电机，日本佳能公司从1982年开始研究将超声波电机应用到照相机的镜头调焦中，至1987年，成功地将环形行波型电机应用到EOS系列照相机配用的镜头中。20世纪90年代中期，佳能公司又研制了一种直径10mm、长24mm的主题行波型超声波电机用于照相机的调焦。该电机采用Langevin振子结构，便于生产，降低了成本，同时提高了可靠性[13]。美国国家航空宇航局（NASA）承担着探测火星的任务，为了满足太空机器人对电机的特殊要求，即轻重量、大转矩、能在超低温环境下正常工作等，其属下的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory）开发了直径分别为1.1、2.5、2.8英寸的环形行波型超声波电机。[14,15]
行波型超声波电机的基本特征是：
1、定子与转子相接触表面质点的椭圆运动，是由定子弹性体的行波振动形成的。一旦定子制作完毕，工作时该椭圆运动轨迹的长轴和短轴一般不能独立地调整。
2、电机工作时，定子与转子始终保持接触，不分离。
3、定子与转子的接触位置沿接触面连续变化。
4、电机结构尺寸小，旋转方向可以改变，速度和位置容易控制。
1.5 论文的研究意义和主要研究内容
超声波电机是一种全新原理的新型微电机,发展历史很短,理论模型和设计方法尚不完善,需要做更多深入的研究。本论文在前人研究的基础上,深入研究了定转子的摩擦接触机理,利用有限元方法对超声波电机定子进行了结构仿真分析,为电机结构的优化和设计提供理论指导。
首先对压电效应、压电陶瓷以及环形行波型超声波电机的结构特点和运行机理进行了介绍。
针对行波型超声波电机的定转子摩擦接触界面,研究了摩擦接触界面质点的运动特性,建立了定转子接触界面的摩擦驱动模型,同时研究了负载与转子转速的关系。