0496-60mm旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)設(shè)計(jì)及工藝【優(yōu)秀含6張CAD圖+說(shuō)明書(shū)+工藝卡】

0496-60mm旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)設(shè)計(jì)及工藝【優(yōu)秀含6張CAD圖+說(shuō)明書(shū)+工藝卡】,優(yōu)秀含6張CAD圖+說(shuō)明書(shū)+工藝卡,60,mm,妹妹,旋轉(zhuǎn),行波,超聲,電機(jī),機(jī)電,設(shè)計(jì),工藝,優(yōu)秀,優(yōu)良,cad,說(shuō)明書(shū),仿單 目 錄 1. 前言 1.1 概述………………………………………………………………………（01） 1.1.1 超聲電機(jī)的定義………………………………………………………（01） 1.1.2 超聲電機(jī)的特點(diǎn)………………………………………………………（01） 1.1.3 超聲電機(jī)的應(yīng)用………………………………………………………（03） 1.2 超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其研究意義……………………………………（04） 1.2.1 超聲電機(jī)的發(fā)展過(guò)程…………………………………………………（05） 1.2.2 研究超聲電機(jī)的意義…………………………………………………（08） 1.3 超聲電機(jī)的分類(lèi)…………………………………………………………（08） 1.4 本文主要研究的方向和內(nèi)容安排………………………………………（08） 2. 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理 2.1 引言………………………………………………………………………（10） 2.2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理及其結(jié)構(gòu)………………………………（10） 2.2.1 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理………………………………………（10） 2.2.2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)……………………………………………（11） 2.3 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析……………………………………（11） 2.3.1 壓電陶瓷與壓電振子…………………………………………………（11） 2.3.2 壓電陶瓷的極化配電裝置……………………………………………（13） 2.3.3 彎曲駐波的產(chǎn)生過(guò)程…………………………………………………（14） 2.3.4 彎曲行波的產(chǎn)生過(guò)程和運(yùn)動(dòng)分析……………………………………（16） 2.4 超聲電機(jī)定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析……………………………………（18） 2.5 本章小結(jié)…………………………………………………………………（20） 3.超聲電機(jī)的定子模態(tài)分析計(jì)算 3.1 引言………………………………………………………………………（21） 3.2 定子固有頻率的理論計(jì)算………………………………………………（21） 3.2.1 共振頻率的計(jì)算………………………………………………………（21） 3.2.2 共振振幅的計(jì)算………………………………………………………（23） 3.3 定子建模與計(jì)算…………………………………………………………（25） 3.3.1 ANSYS簡(jiǎn)介……………………………………………………………（25） 3.3.2 定子建?！?5） 3.3.3 定子的ANSYS分析……………………………………………………（27） 3.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………（29） 4. 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 引言………………………………………………………………………（30） 4.2 超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)流程……………………………………………………（31） 4.3 定子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………（31） 4.3.1 定子內(nèi)外徑的選擇……………………………………………………（32） 4.3.2 振動(dòng)模態(tài)的設(shè)計(jì)與模態(tài)階數(shù)的選擇…………………………………（32） 4.3.3 定子厚度的確定………………………………………………………（33） 4.3.4 定子齒的設(shè)計(jì)…………………………………………………………（33） 4.3.5 定子內(nèi)支撐板設(shè)計(jì)……………………………………………………（34） 4.3.6 粘結(jié)層對(duì)定子振動(dòng)特性的影響………………………………………（34） 4.4 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)………………………………………………………………（34） 4.5 摩擦層的設(shè)計(jì)……………………………………………………………（35） 4.6 超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)結(jié)果……………………………………………………（36） 4.7 板式旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的裝配結(jié)構(gòu)……………………………………（37） 4.8 本章小結(jié)…………………………………………………………………（39） 5. 定子的機(jī)加工工藝設(shè)計(jì) 5.1 分析零件的作用…………………………………………………………（40） 5.2 加工對(duì)象材料分析………………………………………………………（40） 5.2.1 定子材料………………………………………………………………（40） 5.2.2 QSn6.5—0.4的性能和用途…………………………………………（40） 5.3 零件的技術(shù)要求…………………………………………………………（41） 5.3.1 工藝要求………………………………………………………………（41） 5.3.2 技術(shù)依據(jù)………………………………………………………………（41） 5.3.3 生成類(lèi)型的確定………………………………………………………（41） 5.4 制定定子的工藝路線……………………………………………………（41） 5.4.1 工藝路線方案一………………………………………………………（42） 5.4.2 工藝路線方案二………………………………………………………（42） 5.4.3 工藝路線方案三………………………………………………………（43） 5.5 確定切削用量……………………………………………………………（43） 5.6 刀具的選用………………………………………………………………（44） 6. 全文總結(jié)…………………………………………………………………（46） 致謝 ……………………………………………………………………………（47） 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………（48） 附錄 ……………………………………………………………………………（49） 5 1. 前言 1.1 概述 1.1.1 超聲電機(jī)的定義 超聲電機(jī)也稱(chēng)為超聲馬達(dá)，是利用電能產(chǎn)生超聲振動(dòng)來(lái)獲得驅(qū)動(dòng)力，通過(guò)摩擦耦合將驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子或滑塊的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)Toshiiku Sashida（指田年生）的定義：超聲馬達(dá)是一種利用在超聲波頻率范圍內(nèi)的機(jī)械振動(dòng)作為驅(qū)動(dòng)源的驅(qū)動(dòng)器。其英文名字為Ultrasonic motor，簡(jiǎn)稱(chēng)USM。 1.1.2超聲電機(jī)的特點(diǎn) 超聲電機(jī)（USM）是一種新型的直接驅(qū)動(dòng)型微型電機(jī)，相對(duì)于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)而言，其原理完全不同。從而在實(shí)際使用過(guò)程中，超聲電機(jī)具有很多不同于傳統(tǒng)電磁電機(jī)的特性。主要的區(qū)別在以下幾個(gè)方面： n 能量轉(zhuǎn)換過(guò)程 傳統(tǒng)電磁電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子都是剛體結(jié)構(gòu)，兩者之間存在空隙，沒(méi)有物理接觸。一般而言，輸入電源功率由流經(jīng)定子或者轉(zhuǎn)子的線圈的電流產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，磁場(chǎng)再將力施加到轉(zhuǎn)子上，從而獲得機(jī)械功率的輸出。由此可知，傳統(tǒng)電磁電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)不考慮定轉(zhuǎn)子中磁性材料的飽和和磁滯，能量轉(zhuǎn)化過(guò)程是線性可逆的，能夠反過(guò)來(lái)產(chǎn)生電能。 超聲電機(jī)及的定轉(zhuǎn)子是直接接觸，靠摩擦驅(qū)動(dòng)。通常，在超聲電機(jī)的定子上都黏結(jié)有壓電陶瓷元件，對(duì)壓電陶瓷元件上施加交變電壓，能夠激發(fā)出定子彈性體的機(jī)械振動(dòng)，此振動(dòng)通過(guò)定子與轉(zhuǎn)子之間的接觸摩擦轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的定向運(yùn)動(dòng)。由此可知，在超聲電機(jī)中存在兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。一個(gè)是壓電陶瓷和定子之間的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，它是通過(guò)逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，另外一個(gè)是定子與轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械能量的轉(zhuǎn)換，它是通過(guò)摩擦耦合實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)忽略壓電陶瓷和彈性材料的滯后效應(yīng)，定子的自由振動(dòng)和壓電陶瓷機(jī)電能量轉(zhuǎn)換也是線性可逆的，反過(guò)來(lái)也能產(chǎn)生電能。 n 機(jī)械特性和效率 電磁電機(jī)的一種典型類(lèi)型是直流（DC）電機(jī)，其轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速和效率—轉(zhuǎn)速曲線如圖1.1(a)所示。USM的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速和效率—轉(zhuǎn)矩曲線如圖1.1(b)所示。對(duì)比兩者的機(jī)械特性曲線和效率曲線，不難得出如下結(jié)論：USM具有類(lèi)似于DC電機(jī)的機(jī)械特性，DC電機(jī)的最大效率在小轉(zhuǎn)矩、大轉(zhuǎn)速（接近空載速度）附近，而USM的最大效率是在低速、大轉(zhuǎn)矩附近。換句話說(shuō)，DC適合于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，而USM適合于低速運(yùn)轉(zhuǎn)。 (a) DC電機(jī)轉(zhuǎn)矩/效率—速度曲線 (b) USM電機(jī)轉(zhuǎn)矩/效率—速度曲線 圖1.1 DC電機(jī)和USM電機(jī)的轉(zhuǎn)矩陣—速度曲線 n 響應(yīng)特性 電機(jī)能否用于定位控制系統(tǒng)在很大程度上取決于電機(jī)啟停時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)特性。應(yīng)用閉環(huán)位置和速度反饋能夠?qū)⒍ㄎ蛔罱K控制在納米級(jí)精度范圍內(nèi)，但是響應(yīng)時(shí)間和頻率限制卻取決于電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，一般是由輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量表示的。 電磁電機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小、轉(zhuǎn)子慣量大等特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間常大于10ms，且會(huì)隨著減速箱的增加而增大。由于響應(yīng)慢，電機(jī)啟停角度很大，通常是轉(zhuǎn)動(dòng)的一部分。 USM具有轉(zhuǎn)矩大、空載轉(zhuǎn)速低、轉(zhuǎn)子慣量小等特點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間常小于1ms?？焖夙憫?yīng)需要以100KHz或更高的頻率采樣的電機(jī)才能獲取減速過(guò)程。在這些瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)中，轉(zhuǎn)子位置以0.01度的數(shù)量級(jí)變化，這個(gè)小角度就能解釋USM在閉環(huán)控制中實(shí)現(xiàn)幾個(gè)納米的分辨率?？焖夙憫?yīng)性極大地增加了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使得定位調(diào)整頻率高達(dá)1KHz，而傳統(tǒng)的電磁電機(jī)僅能達(dá)到100Hz左右。 通過(guò)以上的分析可以知道超聲電機(jī)與傳統(tǒng)電機(jī)的區(qū)別。作為一個(gè)新的技術(shù)，有其特有的性能： l 低速、大轉(zhuǎn)矩； l 無(wú)電磁噪聲、電磁兼容性好； l 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制性能好； l 斷電自鎖； l 運(yùn)行無(wú)噪音； l 微位移特性； l 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)形式靈活、自由度大，易實(shí)現(xiàn)小型化和多樣化； l 易實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化流水線生產(chǎn)； l 耐低溫、真空，適合太空環(huán)境。 超聲電機(jī)經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，在眾多科學(xué)家的努力，完成了從理論到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。超聲電機(jī)具有以上優(yōu)良特性，但由于工作機(jī)理及其他方面的原因，超聲電機(jī)存在一些不足，主要表現(xiàn)在以下五個(gè)方面： l 目前超聲電機(jī)的壽命相對(duì)較短； l 隨著環(huán)境溫度和自身工作溫度的升高，壓電陶瓷的物理特性會(huì)發(fā)生一定的變化，從而會(huì)導(dǎo)致電機(jī)的參數(shù)發(fā)生一定漂移，致使電機(jī)的性能出現(xiàn)一定改變； l 需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)兩相驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)且對(duì)電源有特定的要求，這就使得超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路較之傳統(tǒng)電機(jī)要復(fù)雜得多，另外，較大尺寸驅(qū)動(dòng)電源也限制了超聲電機(jī)在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用； l 超聲電機(jī)的速度與控制變量間呈現(xiàn)較強(qiáng)的時(shí)變非線性關(guān)系，這給超聲電機(jī)的控制帶來(lái)了不少困難； l 價(jià)格仍比較貴。 必須指出的是，雖然超聲電機(jī)存在一些不盡人意之處，但其卓越的性能是傳統(tǒng)電機(jī)所無(wú)法比擬的。同時(shí)，上述的某些所謂的缺點(diǎn)或不足也并非超聲電機(jī)固有的，隨著超聲電機(jī)研究的不斷深入，其中的一些缺點(diǎn)將逐漸地被克服掉，比如現(xiàn)今的旋轉(zhuǎn)型行波電機(jī)與早期的相比其壽命已有成倍的提高，完全可以滿足一般工程應(yīng)用中長(zhǎng)時(shí)間工作的要求；驅(qū)動(dòng)電源的微型化方面也已取得了實(shí)質(zhì)性的突破；超聲電機(jī)的頻率跟蹤技術(shù)已能保證行波超聲電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。因此在研究與應(yīng)用超聲電機(jī)時(shí)，都必須設(shè)法充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)盡可能避免或彌補(bǔ)其不足，做到取長(zhǎng)補(bǔ)短。 1.1.3 超聲電機(jī)的應(yīng)用 因?yàn)槌曤姍C(jī)有別于傳統(tǒng)電磁電機(jī)，并且具有優(yōu)良的性能。如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、無(wú)電磁干擾、定位精度高等。因?yàn)檫@些優(yōu)良性能，超聲電機(jī)被認(rèn)為在機(jī)器人、計(jì)算機(jī)、汽車(chē)、航空航天、精密儀器儀表、伺服控制等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，現(xiàn)在有些領(lǐng)域已經(jīng)得到成功的應(yīng)用。 1. 照相機(jī)調(diào)焦；1987年，日本的佳能公司（Canon）把超聲電機(jī)應(yīng)用于EOS系列照相機(jī)的配用的EF50mmF1.0L、EF300mmF2.8L、EF28~80mmF2.8L~4L等鏡頭中。其后，其他照相機(jī)制造商也紛紛加入研究超聲電機(jī)在照相調(diào)焦的應(yīng)用，如尼康(Nikon)等。使用超聲電機(jī)的鏡頭有靜音、定位精度高、調(diào)焦時(shí)間短、無(wú)齒輪減速機(jī)構(gòu)等特點(diǎn)，所以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕。 2. 太空人機(jī)器人中的應(yīng)用；太空機(jī)器人對(duì)電機(jī)有著特別的要求，即輕重量、大轉(zhuǎn)矩、能在超低溫環(huán)境下正常工作等。美國(guó)國(guó)家航空宇航局（NASA）屬下的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet propulsion laboratory）開(kāi)發(fā)出的環(huán)形行波超聲電機(jī)用于太空行走微型機(jī)器人的微型儀器機(jī)械臂（MIA-Micro Instrument Arm）和微型桅桿式機(jī)械臂（MMA-Micro Mast Arm）等。 3. 精密定位裝置和隨動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用；因?yàn)槌曤姍C(jī)具有定位精度高、斷電自鎖的特點(diǎn)，所以還可以用于精密定位裝置，如坐標(biāo)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)源。其啟停響應(yīng)快的特點(diǎn)很適合隨動(dòng)系統(tǒng)，如在導(dǎo)彈導(dǎo)引頭裝置中應(yīng)用。 4. 民用裝置中應(yīng)用；因?yàn)槌暡ň哂性肼曅?、體積小的特點(diǎn)，所以窗簾的驅(qū)動(dòng)元件。特別適合在辦公場(chǎng)所、醫(yī)院、賓館、劇院、圖書(shū)館等對(duì)噪聲低要求的地方。 5. 閥門(mén)控制；超聲電機(jī)不需要減速機(jī)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)低速運(yùn)行，因而在各種閥門(mén)中有其廣闊的應(yīng)用前景。特別是它的自鎖特性和快速響應(yīng)特性，可用于閥門(mén)的精確流量控制。 6. 掃描電子顯微鏡（SEM）試料架的驅(qū)動(dòng)；在SEM的真空試料室中的試料架位置是需要人為調(diào)節(jié)的，這一部分正好在電子束的下方，所以不能使用電磁式電機(jī)，在以前，僅僅依靠手動(dòng)控制?，F(xiàn)在利用超聲電機(jī)，可以減少許多的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)還可以減少了故障和手動(dòng)的誤差，并能與計(jì)算機(jī)連接實(shí)現(xiàn)自動(dòng)驅(qū)動(dòng)。 7. 核磁共振裝置中的應(yīng)用；東京的西門(mén)子旭醫(yī)療器械公司把三個(gè)超聲電機(jī)用于核磁共振裝置（MRI-CT）的線圈調(diào)整裝置上。MRI-CT使用2特斯拉以上的強(qiáng)磁場(chǎng)，傳統(tǒng)的電磁電動(dòng)機(jī)無(wú)法在這樣的強(qiáng)磁場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)，并且MRI-CT要求不能有擾亂磁場(chǎng)的磁性體接近裝置。在這樣的情況下，不產(chǎn)生磁場(chǎng)也不受磁場(chǎng)干擾的超聲電機(jī)是最為合適的。 8. 微位移超聲電機(jī)；這種微位移超聲電機(jī)適用于微小位移運(yùn)動(dòng)，以鈉米級(jí)位移驅(qū)動(dòng)，常用于顯微鏡或者掃描隧道顯微鏡，以及用來(lái)做光柵衍射刻線、干涉光譜儀掃描、天體星座圖象分析和檢測(cè)、高精度位移檢測(cè)及分子測(cè)量設(shè)備中。 超聲電機(jī)已經(jīng)或準(zhǔn)備應(yīng)用的場(chǎng)所越來(lái)越多，如前面所述。在國(guó)外，超聲電機(jī)已經(jīng)進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中。在國(guó)內(nèi)，這仍然是處于一個(gè)相對(duì)落后的水平，國(guó)內(nèi)的許多高校和科學(xué)研究所也正積極進(jìn)行攻關(guān)，希望能在不久的將來(lái)超聲波在我國(guó)的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣闊，更具有普遍性。 1.2 超聲電機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其研究意義 1.2.1 超聲電機(jī)的發(fā)展過(guò)程 1942年，美國(guó)學(xué)者A. Williams 和W. Brown申請(qǐng)了第一個(gè)超聲電機(jī)模型的專(zhuān)利，其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示，四片壓電陶瓷分為兩組粘貼在截面為正方形的長(zhǎng)條彈性體的兩個(gè)側(cè)面上，對(duì)其施加兩相相位差為90o的交變電壓激勵(lì)，能夠在長(zhǎng)條彈性體中激勵(lì)起兩個(gè)方面和頻率相同的彎曲震動(dòng)，從而在彈性體端部質(zhì)點(diǎn)做橢圓搖擺運(yùn)動(dòng)，此橢圓搖擺運(yùn)動(dòng)就可以驅(qū)動(dòng)壓在其上的轉(zhuǎn)子或者移動(dòng)體。這個(gè)模型和當(dāng)今的桿式超聲電機(jī)的工作原理相似，但是由于當(dāng)時(shí)的材料，技術(shù)水平等原因的制約，沒(méi)能把模型變成樣機(jī)。 圖1.2 A. Williams和W. Brown的超聲電機(jī)設(shè)想 隨后的一段時(shí)間，科學(xué)家研制出新的壓電陶瓷，比如1947年的S. Robert發(fā)現(xiàn)了在BaTiO3陶瓷上加直流偏壓，會(huì)呈現(xiàn)強(qiáng)的壓電效應(yīng)。1954年賈菲等發(fā)現(xiàn)鋯酸鉛（PZT）具有良好的壓電和介電性能。隨著后面壓電材料的不斷豐富，科學(xué)水平的發(fā)展，對(duì)于超聲電機(jī)的研究也得到更近一步的發(fā)展。1961年，日本的Bulova鐘表公司發(fā)明了一種利用音叉的往復(fù)位移撥動(dòng)棘輪而獲得驅(qū)動(dòng)的鐘表（如圖1.3所示），一個(gè)月只產(chǎn)生一分鐘的誤差，在當(dāng)時(shí)的十年中，這個(gè)技術(shù)可謂是世界領(lǐng)先水平。造就了超聲電機(jī)樣機(jī)的雛形。1963年，前蘇聯(lián)的M. E. Archangelskij設(shè)計(jì)了一臺(tái)利用軸向、彎曲耦合振動(dòng)的振動(dòng)片型超聲電機(jī)，并根據(jù)振動(dòng)合成和間斷接觸理論解釋了超聲電機(jī)的工作原理。其后一年，前蘇聯(lián)的V. V. Lavirenco利用壓電陶瓷片制作了世界上第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)，并運(yùn)用等效電路的方法分析了壓電陶瓷片的振動(dòng)。1972年，德國(guó)西門(mén)子公司和日本松下公司研制了利用壓電諧振工作的直線驅(qū)動(dòng)機(jī)械，其頻率達(dá)到了幾十千赫茲，遺憾的是因?yàn)檎穹^(guò)小，無(wú)法獲得大的轉(zhuǎn)矩和輸出大的功率。所以不具備很大的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。松下公司為此電機(jī)申請(qǐng)了專(zhuān)利，這也是超聲電機(jī)首個(gè)有專(zhuān)利的樣機(jī)。1973年，IBM公司的H. V. Barth提出了別具一格的超聲電機(jī)，如圖1.4所示。該電機(jī)的左右有兩個(gè)楔形超聲振子，兩個(gè)角型驅(qū)動(dòng)足由PZT提供振動(dòng)，它的前部放置于轉(zhuǎn)子上，并保持摩擦接觸。工作時(shí)，當(dāng)左邊的振子收到電壓激勵(lì)時(shí)，轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)右邊的振子收到電壓激勵(lì)時(shí)，轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。此電機(jī)可謂是駐波超聲電機(jī)的雛形。與此同時(shí)，前蘇聯(lián)的V. V. Lavrinenco等人也研究出與H. V. Barth 圖1.3 音叉鐘表驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 圖1.4 H. V. Barth發(fā)明的超聲電機(jī) 原理相同的超聲電機(jī)，相對(duì)于H. V. Barth發(fā)明的超聲電機(jī)而言，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，并且成本低、低速大轉(zhuǎn)矩、單位質(zhì)量功率大、運(yùn)動(dòng)精度高、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)良特性。1987年，前蘇聯(lián)的Vasiliev等科學(xué)家成功研制了一種能夠驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的超聲電機(jī)。其工作原理是利用振動(dòng)片的縱向振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，再通過(guò)摩擦耦合，把機(jī)械能傳遞給轉(zhuǎn)子。 1980年，日本的指田年生在Vasiliev的研究基礎(chǔ)上，成功制造出一種振動(dòng)片型超聲電機(jī)，也就是現(xiàn)在所說(shuō)的駐波型超聲電機(jī)，該電機(jī)的定子是由Langevin型振子和薄振動(dòng)片組成，其工作頻率為27.8KHz，驅(qū)動(dòng)電壓為300V，輸入功率為90W。輸出扭矩為0.25Nm，機(jī)械輸出功率為50W，轉(zhuǎn)速達(dá)到2000r/min，效率為55%。此電機(jī)也成為第一臺(tái)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用的超聲電機(jī)。但是因?yàn)槠湔駝?dòng)片幾乎與轉(zhuǎn)子相垂直，使得電機(jī)只能單向運(yùn)行，而且在使用過(guò)程中，磨損嚴(yán)重。1982年，指田年生又發(fā)明了行波型超聲電機(jī)。此電機(jī)實(shí)現(xiàn)了斷續(xù)點(diǎn)接觸變換成多點(diǎn)連續(xù)不間斷接觸推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，解決了磨損嚴(yán)重問(wèn)題，成倍延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命。1985年，其發(fā)明者在美國(guó)為此電機(jī)申請(qǐng)了專(zhuān)利，并系統(tǒng)的闡述和分析了超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu)及振動(dòng)原理。這也是當(dāng)今行波型旋轉(zhuǎn)電機(jī)的基礎(chǔ)。性能也大幅提高。值得一提的是1987年，松下公司的伊勢(shì)等人在指田年生的研究基礎(chǔ)上，在定子結(jié)構(gòu)上做了一個(gè)改進(jìn)，在定子上增加了梳齒結(jié)構(gòu)。研究表明，這個(gè)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)對(duì)于定子的剛度影響不大，而且能夠擴(kuò)大定子振動(dòng)的振幅，大大地提高電機(jī)的效率。這樣的結(jié)構(gòu)也被現(xiàn)在大部分超聲電機(jī)采用。隨著超聲電機(jī)的研究不斷深入，在各行業(yè)的應(yīng)用也逐漸開(kāi)始，與此同時(shí)，美國(guó)及西歐一些國(guó)家如德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、土耳其，亞洲的韓國(guó)、新加波等國(guó)相繼加入到超聲電機(jī)研究行列中。尤其是美國(guó)，一大批公司多所大學(xué)都開(kāi)展了超聲電機(jī)研究，其中，特別值得一提的是，美國(guó)的濱夕法尼亞（Pennsylvania）大學(xué)在1994～1998年間投資1.5億美元從事壓電材料和超聲電機(jī)的研發(fā)，美國(guó)M.I.T的航空航天學(xué)院空間研究中心和電子科學(xué)系的人工智能研究中心也從事了超聲電機(jī)方面的研究。對(duì)于超聲電機(jī)仍在繼續(xù)……。 在國(guó)外已經(jīng)將超聲電機(jī)應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)中時(shí)，其影響也逐漸被世人知曉。在上個(gè)世紀(jì)的80年代末期90年代初期，我國(guó)的科研工作者逐漸對(duì)這個(gè)新興技術(shù)關(guān)注。許多的科學(xué)家通過(guò)留學(xué)期間的學(xué)習(xí)，把這項(xiàng)技術(shù)的研究情況逐漸介紹到國(guó)內(nèi)，并在國(guó)內(nèi)的一些研究所中進(jìn)行攻關(guān)。直到90年代中期，我國(guó)才真正開(kāi)始超聲電機(jī)樣機(jī)的試制。其后，國(guó)內(nèi)的許多高校也紛紛開(kāi)始加入研究超聲電機(jī)的行列。主要有東南大學(xué)，清華大學(xué)、南京航空航空大學(xué)、浙江大學(xué)等等國(guó)內(nèi)著名高校。雖然起步時(shí)間晚，但是經(jīng)過(guò)這幾十年的研究，在運(yùn)行原理、數(shù)學(xué)建模、仿真計(jì)算、樣機(jī)制作以及驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方面取得一些成績(jī)。其中有由南京航空航天大學(xué)趙淳生院士領(lǐng)導(dǎo)的精密驅(qū)動(dòng)研究所，該所自1995年成功研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)能實(shí)際運(yùn)行的環(huán)形行波超聲電機(jī)以來(lái)，先后研發(fā)出16種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型超聲電機(jī)，其中，包括了TRUM系列圓板式旋轉(zhuǎn)型行波電機(jī)、BTRUM圓桿式旋轉(zhuǎn)型行波電機(jī)等兩個(gè)系列產(chǎn)品以及直線型、縱扭型、多由度、非接觸超聲電機(jī)等多種超聲電機(jī)。 雖然國(guó)內(nèi)近年對(duì)于超聲電機(jī)的研究不斷深入，但是與美國(guó)、英國(guó)、日本等國(guó)仍存在很大的差距，望此技術(shù)的科研工作者多向外國(guó)學(xué)習(xí)，發(fā)展與完善我國(guó)在超聲電機(jī)制造技術(shù)領(lǐng)域的理論知識(shí)和應(yīng)用領(lǐng)域，縮小國(guó)內(nèi)外的技術(shù)差距。 縱觀超聲電機(jī)的發(fā)展過(guò)程，可以分為以下三個(gè)階段： ? 超聲電機(jī)概念階段；標(biāo)志為1942年，美國(guó)學(xué)者A. Williams 和W. Brown提出超聲電機(jī)模型；此階段為1942年至1970年，主要是進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)研究。 ? 超聲電機(jī)樣機(jī)階段；標(biāo)志為1972年，德國(guó)西門(mén)子公司與日本松下公司研制的直線驅(qū)動(dòng)器。此階段為20世紀(jì)70年代至80年代中期，此時(shí)已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用產(chǎn)品的研制。 ? 超聲電機(jī)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)及應(yīng)用階段。1987年下半年，超聲電機(jī)開(kāi)始實(shí)際應(yīng)用，將超聲電機(jī)應(yīng)用于掃描隧道顯微鏡而獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。此后由指田年生創(chuàng)辦的新生工業(yè)公司開(kāi)始出售行波超聲電機(jī)。 1.2.2 超聲電機(jī)的研究意義 超聲電機(jī)突破了傳統(tǒng)電機(jī)的概念，沒(méi)有電磁繞組和磁路，不以電磁的相互作用來(lái)傳遞能量。與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)相比，它慣性小、響應(yīng)快、可控制性好、不受磁場(chǎng)影響、同時(shí)本身也不產(chǎn)生磁場(chǎng)、定位精度高等特點(diǎn)。特別是它具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、噪音小、低速大轉(zhuǎn)矩、可直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載等特性。由于直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載，避免了使用齒輪變速而產(chǎn)生的振動(dòng)噪音、間隙以及低效率、難控制等一些問(wèn)題。所以說(shuō)，超聲電機(jī)是一種全新的自動(dòng)控制執(zhí)行元件，也是一種嶄新的傳動(dòng)模式，是對(duì)傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)原理的突破和有力的補(bǔ)充。有專(zhuān)家預(yù)言：21 世紀(jì)將是超聲電機(jī)大放光芒的時(shí)代, 它將有可能部分取代微、小型的傳統(tǒng)電磁電機(jī)而得到更廣泛的應(yīng)用。 自20世紀(jì)80年代超聲電機(jī)開(kāi)始逐漸步入工程實(shí)用化以來(lái)，在短短的不到二十年的時(shí)間里，從民用照相機(jī)自動(dòng)聚焦系統(tǒng)到航天的“火星旅游者”中的驅(qū)動(dòng)裝置，從微型機(jī)械中的執(zhí)行器到超導(dǎo)懸浮列車(chē)、從高級(jí)轎車(chē)到核磁共振醫(yī)療裝置，超聲電機(jī)無(wú)處不在發(fā)揮著其重要的作用。而超聲電機(jī)目前良好的發(fā)展勢(shì)頭，使我們更有理由相信，隨著USM技術(shù)的日臻成熟以及USM卓越性能逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，在不久的將來(lái)，超聲電機(jī)必將在更多的領(lǐng)域、更大的范圍內(nèi)逐漸取代傳統(tǒng)小型、微型電磁電機(jī)的應(yīng)用，將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的眾多領(lǐng)域以及人們的生產(chǎn)、生活中發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用?？偠灾?，深入進(jìn)行超聲電機(jī)的研究不僅具有重要的理論價(jià)值，而且具有重要的實(shí)際意義。 1.3 超聲電機(jī)的分類(lèi) 超聲電機(jī)種類(lèi)繁多，目前尚無(wú)系統(tǒng)而統(tǒng)一的分類(lèi)方法，因此，可以從不同角度對(duì)其分類(lèi)，例如，根據(jù)超聲電機(jī)利用的機(jī)械波的不同，可以分為行波型和駐波型兩大類(lèi)；根據(jù)其輸出運(yùn)動(dòng)的不同，可將其分為旋轉(zhuǎn)式和直線式兩類(lèi)，且各自都有行波型和駐波型；對(duì)于直線型超聲電機(jī)而言，根據(jù)動(dòng)子的工作方式不同，又有自行式和非自行式。考慮到超聲電機(jī)的工作原理主要是利用了彈性體的超聲振動(dòng)，以其振動(dòng)的特定模式（如彎曲、扭轉(zhuǎn)、縱振、以及平面內(nèi)的徑向振動(dòng)等等）為標(biāo)志來(lái)進(jìn)行分類(lèi)比較能反映超聲電機(jī)的特點(diǎn)。 1.4本文主要的工作安排 本文的研究對(duì)象是超聲電機(jī)和超聲電機(jī)的基本設(shè)計(jì)問(wèn)題，首先介紹超聲電機(jī)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及目前還存在的問(wèn)題和超聲電機(jī)的發(fā)展過(guò)程；其次詳細(xì)的介紹超聲電機(jī)的工作原理以及它的特點(diǎn)和分類(lèi)，同時(shí)介紹了超聲電機(jī)的應(yīng)用和范圍；再次針對(duì)超聲電機(jī)的原理和特點(diǎn)，利用解析法和有限元分析兩種方法對(duì)超聲電機(jī)中定子的振動(dòng)模態(tài)以及固有頻率進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)兩種方法進(jìn)行比較；最后根據(jù)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，對(duì)超聲電機(jī)的基本參數(shù)、材料進(jìn)行分析與選取，從而設(shè)計(jì)出達(dá)到所規(guī)定要求的超聲電機(jī)。 2. 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理 2.1 引言 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)是依靠定子彈性體內(nèi)部產(chǎn)生的行波。并通過(guò)轉(zhuǎn)子和定子之間的耦合摩擦獲得力矩，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。相對(duì)與傳統(tǒng)的電磁電機(jī)而言，這種電機(jī)是一種新的技術(shù)，一種革新。在本章中，將結(jié)合幾何分析法與運(yùn)動(dòng)分析法對(duì)超聲電機(jī)的工作原理進(jìn)行分析，為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作奠定基礎(chǔ)。 2.2旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理及其結(jié)構(gòu) 2.2.1 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的工作原理 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)（Traveling wave type Rotary Ultrasonic Motor，縮寫(xiě)為T(mén)RUM）作為超聲電機(jī)一種重要的形式，同時(shí)也是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的超聲電機(jī)。故名思意，旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)是產(chǎn)生行波，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。行波的產(chǎn)生過(guò)程如圖2.1所示，由圖可知，定子的端面上粘貼有布置適當(dāng)?shù)腁、B兩組壓電陶瓷片。行波過(guò)程具體為：在A、B兩組壓電陶瓷分別施加兩相相差為90o的同頻率、等幅值的交變激勵(lì)電壓信號(hào)，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，則會(huì)在定子上激勵(lì)出兩個(gè)在時(shí)間上和空間上分別相差90o的同頻率，等幅值的駐波彎曲振動(dòng)，兩駐波在定子中進(jìn)行線性疊加后，便形成了所謂的彎曲行波。當(dāng)行波形成之后，則會(huì)使處于定子表面的質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)，即定子表面質(zhì)點(diǎn)的軌跡為橢圓。再根據(jù)定子與轉(zhuǎn)子（動(dòng)子）之間的耦合摩擦作用將定子表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)子（轉(zhuǎn)子）的往復(fù)運(yùn)動(dòng)（旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）。 如圖2.1 超聲電機(jī)工作原理圖。 由此可見(jiàn)，行波電機(jī)的工作過(guò)程可以分為兩個(gè)部分：一部分為壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激勵(lì)定子振動(dòng)；另一部分為定子與動(dòng)子（轉(zhuǎn)子）之間的摩擦傳遞與轉(zhuǎn)換。考慮到定子、動(dòng)子（轉(zhuǎn)子）的結(jié)構(gòu)的多樣性，就出現(xiàn)許許多多各式各樣的超聲電機(jī)，如定子設(shè)計(jì)為直線導(dǎo)軌型，即為直線式行波超聲電機(jī)；當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為圓板式結(jié)構(gòu)，就變成了旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)，其工作原理圖如圖2.1所示。 2.2.2 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的結(jié)構(gòu) 圖2.2 旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)展開(kāi)圖 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的主要工作部件包括定子、轉(zhuǎn)子和其他電機(jī)附件，結(jié)構(gòu)的展開(kāi)圖如圖2. 2所示。從圖上可以 看出，定子由壓電陶瓷片和定子彈性體兩 部分組成，兩者是依靠粘結(jié)劑粘結(jié)在一起。 定子是超聲波的核心工作部件，因此，定 子的設(shè)計(jì)是超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)主要任務(wù)， 其次是轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子需要保證在與定 子相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生足夠的摩擦，所以 在轉(zhuǎn)子與定子的接觸面上需要附著一層摩 擦材料。另外還有其他電機(jī)附件，如加壓彈簧、滾動(dòng)軸承、用于放置定子的定子座和電機(jī)蓋，這些都是超聲電機(jī)不可缺少的部件，每個(gè)部件有其特殊的功能，比如放于轉(zhuǎn)子之上的加壓彈簧，這個(gè)部件是為了在定子與轉(zhuǎn)子之間需要有一定的軸向預(yù)壓力，才有可能產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的切向摩擦力。此電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，輸出力矩及輸出的轉(zhuǎn)速的范圍大，扭矩與體積的比值也大。 2.3 旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析 2.3.1 壓電陶瓷與壓電振子 壓電陶瓷是超聲電機(jī)中所使用的特殊材料，是用于將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的元件。定子表面的質(zhì)點(diǎn)做橢圓運(yùn)動(dòng)也是由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激勵(lì)的，壓電陶瓷的電能與機(jī)械能的耦合是超聲電機(jī)的運(yùn)行基礎(chǔ)。可見(jiàn)壓電陶瓷對(duì)于超聲電機(jī)的重要性。了解壓電陶瓷對(duì)于超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)有一定的幫助，同時(shí)也能更好地實(shí)施超聲電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。所以對(duì)于壓電陶瓷的研究關(guān)系到是否能提高超聲電機(jī)的綜合性能。 1880年，居里兄弟（Pierre-Curie和Jacques-Curie）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)在α-石英晶體的特定方向上施加一定的機(jī)械外力，晶體會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，在與機(jī)械外力方向垂直的兩個(gè)表面內(nèi)出現(xiàn)極性相反的束縛電荷。通過(guò)定量的分析，發(fā)現(xiàn)電荷密度與外力的大小成正比，這就是現(xiàn)在的“壓電效應(yīng)（Piezoelectric Effect）”，也稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。其后他們又發(fā)現(xiàn)：當(dāng)α-石英晶體在外電場(chǎng)的作用下，晶體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力或者應(yīng)變，使得晶體發(fā)生變形，這就是現(xiàn)在的逆壓電效應(yīng)。后來(lái)把正壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)統(tǒng)稱(chēng)為壓電效應(yīng)，同時(shí)把具有壓電效應(yīng)的晶體稱(chēng)為壓電體。有了壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)了電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。并不是所有的晶體都具有壓電效應(yīng)的，是否具有壓電效應(yīng)取決于晶體本身的結(jié)構(gòu)。研究表明，壓電體可以是單晶體、多晶體、聚合物、生物體（如骨骼）。其中超聲電機(jī)所使用的壓電陶瓷一般為壓電多晶體鋯鈦酸鉛，其化學(xué)式為Pb(Zr-Ti)O3,英文縮寫(xiě)為PZT。 (a) 極化前的電疇取向 (b) 極化后的電疇取向 圖2.3 壓電陶瓷中的電偶極子 壓電陶瓷本身是一種鐵電體，在未經(jīng)極化前沒(méi)有壓電性。微觀上，壓電陶瓷可以看作是眾多無(wú)規(guī)則取向的鐵電晶體組成的,如圖2.3(a)所示。這種無(wú)規(guī)則的取向和微晶中的“電疇”結(jié)構(gòu)，使得燒結(jié)后的陶瓷體在宏觀上為各向同性的、不呈現(xiàn)壓電性。為使壓電陶瓷具有壓電性，使電場(chǎng)與形變構(gòu)成所謂的本構(gòu)關(guān)系，就需預(yù)先對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行極化，即需在壓電陶瓷片上施加很高的直流極化電場(chǎng)，如圖2.3(b)所示，使鐵電體中的“電疇”的取向盡可能具有一致性，而撤除該電場(chǎng)后，由于鐵電晶體具有類(lèi)似磁滯的“電滯回線”特性，從而會(huì)使壓電陶瓷中仍能保留一定的剩余電場(chǎng)。當(dāng)在此剩余電場(chǎng)上疊加一小的交流電場(chǎng)時(shí)，由于交流電場(chǎng)相對(duì)很小，其作用一般不足以使“電疇”轉(zhuǎn)向，但可以引起電疇邊界的移動(dòng)，使與電場(chǎng)同向的電疇體積增大，與電場(chǎng)反向的電疇的體積減小，這樣，經(jīng)過(guò)極化的壓電陶瓷便具有了較典型的壓電性?？梢?jiàn)，經(jīng)極化處理后的壓電陶瓷可當(dāng)作壓電晶體使用，而且其壓電性會(huì)表現(xiàn)得更明顯。 當(dāng)把交變電場(chǎng)以特定方式施加到壓電陶瓷片上以后,通過(guò)逆壓電效應(yīng)可激發(fā)出壓電陶瓷的振動(dòng)模式，這時(shí)壓電陶瓷就成為了一個(gè)壓電振子。壓電振子典型振動(dòng)模式主要有：垂直于電場(chǎng)方向的長(zhǎng)度伸縮振動(dòng)（簡(jiǎn)稱(chēng)LE）、平行于電場(chǎng)方向的厚度伸縮振動(dòng)（簡(jiǎn)稱(chēng)TE），垂直電場(chǎng)平面內(nèi)的平面切變振動(dòng)（簡(jiǎn)稱(chēng)FS）和平行于電場(chǎng)平面的厚度切變振動(dòng)（簡(jiǎn)稱(chēng)TS）等四種類(lèi)型，如圖2.4所示。設(shè)計(jì)壓電振子時(shí)，除應(yīng)選擇合適的壓電陶瓷材料之外，還要選擇合適的壓電振子振動(dòng)模式。其中，板式旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)利用的是壓電陶瓷的LE模式的振動(dòng)。 (a) LE模式 (b) TE模式 (c) FS模式 (d) TS模式 圖2.4 壓電振子的四種振動(dòng)模式 2.3.2 壓電陶瓷的極化供電配置 根據(jù)行波的形成，為能在定子彈性體上激發(fā)出兩相時(shí)、空上相差的駐波，就必須合理地配置壓電陶瓷的極化方向及激勵(lì)方式，只有這樣才能產(chǎn)生正確激振力。為便于說(shuō)明這一問(wèn)題，假想地將圓環(huán)展開(kāi)為直梁，則通過(guò)以下三種極化配置和激勵(lì)方式可得到所需的兩相駐波： (a) 方式一 (b) 方式二 (c) 方式三 圖2.5 壓電陶瓷的極化配置方案 1）將上、下兩片壓電陶瓷環(huán)和彈性體粘接在一起，兩個(gè)壓電陶瓷的電極在空間上相互錯(cuò)開(kāi)，在兩片壓電陶瓷上施加相位差為的交變電壓，如圖2.5(a)所示。采用這樣的方式激發(fā)的兩個(gè)駐波可合成為行波。 2）將同一片壓電陶瓷環(huán)極化處理為極化方向相反的兩個(gè)部分，并使這兩部分在空間上錯(cuò)開(kāi)波長(zhǎng)，如圖2.5(b)所示， 同時(shí)在這兩部分上分別施加時(shí)間上相差的交流電壓，則在兩個(gè)部分上分別產(chǎn)生的駐波，它們也同樣可以疊加出行波。 3）在一片壓電陶瓷上按圖2.5(c)所示的方式進(jìn)行極化和施加電壓，也可以形成時(shí)間上、空間上分別相差的駐波信號(hào)。 大多數(shù)旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)采用圖2.5(b)的方式，如旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)TRUM60工作在B09模態(tài)下，其極化方式即采用上述第二種配置方案，如圖2.6所示。為旋轉(zhuǎn)型行波的一種特殊的形式，也是采用相同的方案。圖中，A區(qū)（相）和B區(qū)（相）為極化激勵(lì)區(qū)?？紤]到必須預(yù)留一個(gè)波長(zhǎng)空間（另有它用），所以駐波的波數(shù)選定為奇數(shù)，處于極化區(qū)的壓電陶瓷正好占用偶數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的空間。這樣做的目的是為了更好地保證激勵(lì)出兩相駐波的左右對(duì)稱(chēng)性。預(yù)留的一個(gè)波長(zhǎng)中區(qū)域稱(chēng)為孤極反饋區(qū)，通常該區(qū)也要進(jìn)行極化，但該區(qū)不是用來(lái)實(shí)現(xiàn)定子激勵(lì)的，其上也不施加交變電壓。該區(qū)在隨定子一起振動(dòng)的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)槟鎵弘娦?yīng)而會(huì)產(chǎn)生交變電壓，通過(guò)該電壓可判斷超聲電機(jī)的工作狀態(tài)，因此該電壓可作為驅(qū)動(dòng)和控制的反饋信號(hào)。GND區(qū)占據(jù)四分之三個(gè)波長(zhǎng)，它是作為A區(qū)和B區(qū)的公共地。值得一提的是，采用以上極化配置方式時(shí)，當(dāng)給處于A相極化區(qū)內(nèi)的壓電陶瓷單獨(dú)激振時(shí)，可以激發(fā)出A相駐波，此時(shí)B相壓電陶瓷中由于逆壓電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生電壓，但由于B相壓電陶瓷在同一極性的極化小區(qū)內(nèi)一半處于波峰區(qū)，一半處于波谷區(qū)，因此由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電壓正負(fù)抵消，即A、B兩相壓電陶瓷的激振互不影響。 圖2.6 TRUM60電機(jī)的壓電陶瓷的極化方式 2.3.3 彎曲駐波振動(dòng)的產(chǎn)生過(guò)程 超聲波以行波和駐波的形式傳播，都是由頻率和振幅均相同、振動(dòng)方向一致、傳播方向相反的兩列波疊加后形成的波。當(dāng)波在介質(zhì)中傳播時(shí)其波形不斷向前推進(jìn)，稱(chēng)為行波（Traveling Wave）；當(dāng)上述兩列波疊加后波形并不向前推進(jìn)，稱(chēng)為駐波（Standing Wave）。壓電陶瓷質(zhì)硬且脆，通過(guò)壓電效應(yīng)直接產(chǎn)生的位移很小，因此，采用壓電陶瓷實(shí)現(xiàn)電能與機(jī)械能之間轉(zhuǎn)換時(shí)，一般不把它直接當(dāng)作壓電振子來(lái)使用，而是將它與某種彈性體粘接在一起共同構(gòu)成振動(dòng)體，這種振動(dòng)體稱(chēng)為壓電層合結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的定子實(shí)際就是一個(gè)壓電層合結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中壓電陶瓷用于對(duì)定子彈性體施加激振力，使定子產(chǎn)生位移響應(yīng)。 為了說(shuō)明駐波產(chǎn)生的原理，先來(lái)考察圖2.8所示的壓電層合梁。該梁的中性層為ox軸所在的平面。由于壓電陶瓷與彈性體粘結(jié)為一體，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，二者在粘結(jié)界面處將產(chǎn)生同樣的變形。當(dāng)按圖2.7(a)中的方式沿極化方向施加電壓時(shí)，壓電陶瓷會(huì)在長(zhǎng)度方向上出現(xiàn)拉伸變形的趨勢(shì)，而因壓電陶瓷和彈性基體束縛在一起，壓電陶瓷拉伸受到阻礙，因此，它將拉動(dòng)基體一起變形，從而對(duì)基體產(chǎn)生了拉伸力，然而，由于壓電陶瓷的粘貼位置偏離彈性基體的中性面，彈性基體受到的拉應(yīng)力后會(huì)產(chǎn)生彎矩，因此壓電層合梁也會(huì)產(chǎn)生彎曲變形。最后，綜合起來(lái)壓電層合板將產(chǎn)生拉彎組合的變形態(tài)勢(shì)。同理，若對(duì)壓電陶瓷施加如圖2.7(b)所示的反方向的電壓，壓電陶瓷會(huì)收縮變形，整個(gè)壓電層合板會(huì)產(chǎn)生反向的變形。 （a）拉彎組合變形 （b）壓彎組合變形 圖 2.7 壓電陶瓷激發(fā)的結(jié)構(gòu)變形 若按如圖2.8(a)所示的方式在彈性板下面粘貼一組壓電陶瓷片，使任意的相鄰的兩片陶瓷的極化方向是相反的，則當(dāng)沿著極化方向通以電壓時(shí)，壓電陶瓷片會(huì)產(chǎn)生圖2.8(b)所示的在相鄰極化區(qū)域交替伸縮的變形狀態(tài)；如果將直流電壓進(jìn)行反相，壓電陶瓷會(huì)產(chǎn)生圖2.8(c)所示的相反方向的交替伸縮變形狀態(tài)；不難理解，若在其上施加交變電壓，則壓電陶瓷將產(chǎn)生如圖2.8(d)的交變伸縮變形。這樣，就可在壓電層合梁中形成彎曲駐波振動(dòng)。 （a）電場(chǎng)激振前（b）正向激勵(lì)（c）反向激勵(lì) (d) 駐波振動(dòng) 圖2.8 定子駐波的產(chǎn)生過(guò)程示意圖 2.3.4 彎曲行波的產(chǎn)生過(guò)程和運(yùn)動(dòng)分析 作為旋轉(zhuǎn)行波超聲電機(jī)的振動(dòng)主體的定子，是一個(gè)帶支撐板的圓環(huán)。，這種結(jié)構(gòu)的定子上有梳齒結(jié)構(gòu)，理論上講，其振動(dòng)方程沒(méi)有解析表達(dá)式，因內(nèi)支撐板較薄且質(zhì)量小，為便于對(duì)行波的產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行原理性分析，將其近似地視為成一平面圓環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖2.9。 圖2.9 環(huán)形行波超聲電機(jī)的定子簡(jiǎn)化示意圖 根據(jù)板殼理論及彈性動(dòng)力學(xué)可知，對(duì)于平面薄型圓板，必然存在形如圖2.10(a)所示的彎曲振動(dòng)模態(tài)，這種振型可標(biāo)記為，這里的下標(biāo)n表示彎曲振動(dòng)的波數(shù)或者稱(chēng)為徑向節(jié)線數(shù)（例如，圖中的波數(shù)）?？捎靡粋€(gè)極坐標(biāo)下的振型函數(shù)對(duì)該振型（在此不妨設(shè)為A相振型）進(jìn)行描述，的振型函數(shù)為 （2-1） 式中，為沿圓板沿著圓周方向的位移分布函數(shù)，其中，為歸一化的垂直于圓板中面的徑向位移分布函數(shù)。在圓板最外緣的取值為1，即 （2-2） 當(dāng)采用簡(jiǎn)諧信號(hào)對(duì)圓板進(jìn)行激振時(shí)，可設(shè)圓板中性面在該振型中的模態(tài)坐標(biāo)為 （2-3） 式中，為該振型對(duì)應(yīng)的固有圓頻率，為幅值。這樣可將A相駐波振動(dòng)方程寫(xiě)成 （2-4） 由于圓板為軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，理論上講與A相振型在空間上相差任意角度的振型都可成為該模態(tài)的主振型。為此，再取一個(gè)與A相振型在空間上相差900的與A相正交的振型，在此假設(shè)為B相振型，如圖2.10(b)，記為。則為 (a) A相振型 (b) B相振型 圖2.10 兩相正交模態(tài) （2-5） 同樣，對(duì)B相上施加與A相同頻但相位卻不一定相同的簡(jiǎn)諧信號(hào)進(jìn)行激振時(shí)，則B相振動(dòng)的模態(tài)坐標(biāo)可寫(xiě)成形式 （2-6） 式中，表示A、B兩相諧響應(yīng)在時(shí)間上的相位差，為B相振動(dòng)的幅值。同樣地，也可將定子上激發(fā)出的B相的駐波振動(dòng)描述為 （2-7） A、B兩相駐波振動(dòng)將在定子彈性體內(nèi)進(jìn)行線性耦合，由線性波的疊加原理，可得到耦合后波的彎曲振動(dòng)方程為 （2-8） 由此可見(jiàn)，當(dāng)對(duì)A、B兩相振動(dòng)模態(tài)同時(shí)激勵(lì)時(shí)，圓板的振動(dòng)可以看成是由三部分組成，即：正向行波分量、反向行波 分量、駐波分量。下面分三種情況對(duì)（2-8）進(jìn)行討論。 1） 當(dāng)、，即A、B兩相駐波振動(dòng)同頻、等幅但B相在時(shí)間、空間上的相位均超前A相時(shí)，可疊加出一個(gè)正向傳播（逆時(shí)針）行波，即 （2-9） 2） 當(dāng)、，即A、B兩相駐波振動(dòng)同頻、等幅但B相在空間上超前A相、而時(shí)間上滯后時(shí)，將疊加出一個(gè)反向傳播的（順時(shí)針）行波，即 （2-10） 3） 當(dāng)，時(shí)，圓環(huán)板中只有駐波存在，不會(huì)形成行波，即 （2-11） 由上述分析可知，產(chǎn)生在圓形薄板中的行波是由兩個(gè)在時(shí)間、空間上分別相差（或者說(shuō)正交的彎曲振型）的相同固有頻率（重特征值）的同節(jié)線數(shù)的駐波疊加而成。當(dāng)然，要產(chǎn)生同頻和相同節(jié)線數(shù)的兩個(gè)彎曲振型就要求圓環(huán)薄板結(jié)構(gòu)具有良好的對(duì)稱(chēng)性。假如因某些原因破壞了圓環(huán)結(jié)構(gòu)的軸對(duì)稱(chēng)性，將會(huì)導(dǎo)致“振型失調(diào)”現(xiàn)象，從而影響合成所得到行波的質(zhì)量。進(jìn)而影響整個(gè)電機(jī)的工作穩(wěn)定性。 2.4 超聲電機(jī)定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分析 行波的形成為定子驅(qū)動(dòng)動(dòng)子（轉(zhuǎn)子）運(yùn)動(dòng)奠定基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步了解行波在傳播過(guò)程中是如何推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的，就有必要推導(dǎo)行波產(chǎn)生后的定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡。如前2.3節(jié)所述，對(duì)于帶有帶內(nèi)支撐板的環(huán)形定子，因內(nèi)支撐板較薄且質(zhì)量小，故可以忽略支撐板的影響，視該定子為一個(gè)環(huán)形薄板。另外，考慮到的定子環(huán)上的齒的寬度較小，故可忽略定子環(huán)的運(yùn)動(dòng)沿徑向的變化，用定子環(huán)的平均半徑即所對(duì)應(yīng)的圓周面上的行波來(lái)表示定子的行波運(yùn)動(dòng)，這里，、分別表示定子環(huán)的外徑。顯然，中徑 對(duì)應(yīng)的圓周上的行波可描述為 （2-12） 式中，表示半徑為的圓柱面上的彎曲行波波幅。為便于分析，現(xiàn)將半徑為的圓柱面展開(kāi)為矩形，同時(shí)給矩形賦與一定厚度（即定子環(huán)的寬度），這樣就得到一個(gè)彈性等截面直梁，顯然，圓柱面和矩形面的幾何對(duì)應(yīng)關(guān)系為 （2-13） 將上式代入（2-12）后，可得 （2-14） 為了方便書(shū)寫(xiě)，引入記號(hào)： （2-15） 式中，為定子在半徑為的圓周上的行波的波長(zhǎng)。這樣就得到了定子所對(duì)應(yīng)的等截面彈性直梁的彎曲行波運(yùn)動(dòng)方程 （2-16） 直梁的波動(dòng)狀態(tài)如圖2.11所示。下面考察彈性梁表面上的任意一個(gè)質(zhì)點(diǎn)P。P到定子中性層的距離為。在梁未發(fā)生彎曲變形前，該質(zhì)點(diǎn)處于P0位置。在直梁產(chǎn)生 圖2.11 彈性梁表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)分析 行波彎曲振動(dòng)后的第t時(shí)刻，質(zhì)點(diǎn)P因其所處的橫截面偏轉(zhuǎn)而從位置P0運(yùn)動(dòng)到P/。利用圖示幾何關(guān)系，可求得質(zhì)點(diǎn)P在z軸方向（橫向）的位移量為 （2-17） 由于行波的波幅遠(yuǎn)小于行波波長(zhǎng)，所以梁的截面的偏轉(zhuǎn)角非常小，故可認(rèn)為，這樣有 （2-18） 可以看出，質(zhì)點(diǎn)P在x軸方向上的位移為 （2-19） 同樣，利用圖2.12中的幾何關(guān)系，可得到梁的彎曲而造成的截面偏角為 （2-20） 上式代入（2-19）后，可得到質(zhì)點(diǎn)P的縱向位移 （2-21） 結(jié)合考慮（2-18）和（2-19），可推得彈性直梁表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡為 （2-22） 根據(jù)（2-13），將上述運(yùn)動(dòng)方程映射到圓周面內(nèi)，得到定子環(huán)表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為 （2-23） 由（2-23）可知，此式符合橢圓的標(biāo)準(zhǔn)方程，所以定子端面上任意一點(diǎn)都作橢圓軌跡運(yùn)動(dòng)。由于產(chǎn)生了橢圓運(yùn)動(dòng)。因此，在預(yù)壓力的作用下，定子表面各質(zhì)點(diǎn)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生摩擦驅(qū)動(dòng)力而推動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，而且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向?qū)⑴c行波傳播的方向相反，這就是行波超聲電機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳遞機(jī)理。從定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程可以看出：當(dāng)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)在彈性體上激勵(lì)出了時(shí)間上、空間上各相差的兩個(gè)同頻率等幅值的駐波時(shí)，經(jīng)過(guò)線性疊加后，形成了行波，使得定子表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生橢圓運(yùn)動(dòng)，其橢圓軌跡的長(zhǎng)短軸之比為或者。 2.5 本章總結(jié) 本章主要闡述了超聲電機(jī)的基本工作原理及其結(jié)構(gòu)、壓電陶瓷和壓電振子及其極化配置。并對(duì)超聲電機(jī)中彎曲行波的產(chǎn)生過(guò)程和形成所需要的條件進(jìn)行分析，同時(shí)還對(duì)電機(jī)定子表面質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)做了分析，得出其軌跡的方程式，這些為后序的電機(jī)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。 3 超聲電機(jī)的定子模態(tài)分析計(jì)算 3.1 引言 在當(dāng)前所設(shè)計(jì)出超聲電機(jī)中，大部分都在定子上加工了齒結(jié)構(gòu)。研究表明，這樣的結(jié)構(gòu)可以提高定子表面的振幅和運(yùn)動(dòng)速度，從而提高電機(jī)的工作效率。但與此同時(shí)，利用解析法求解定子的固有頻率和工作模態(tài)的難度加大，按照傳統(tǒng)的方法會(huì)對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使得結(jié)果與實(shí)際的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)，為了避免此問(wèn)題，本文采用有限元分析軟件進(jìn)行有限元分析，主要是在優(yōu)化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真及模塊化設(shè)計(jì)方面。并且模擬仿真得到的固有頻率與理論計(jì)算的頻率比較，驗(yàn)證固有頻率設(shè)計(jì)是否合理。這些分析的結(jié)果將指導(dǎo)后續(xù)的超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，使設(shè)計(jì)出來(lái)的超聲電機(jī)更為科學(xué)合理。 3.2 定子固有頻率的理論計(jì)算 3.2.1 共振頻率的計(jì)算 （a） 環(huán)型超聲電機(jī)的定子結(jié)構(gòu) 環(huán)型超聲電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)如圖3.1（a）所示，為了計(jì)算的簡(jiǎn)單與方便，將其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為無(wú)齒定子，如圖3.1（b）所表示。 （b）簡(jiǎn)化的定子結(jié)構(gòu) 圖3.1 環(huán)型超聲波的定子簡(jiǎn)化過(guò)程 假設(shè)z方向的撓曲位移為，應(yīng)用n次Besel函數(shù)、、、及其系數(shù)、、、，根據(jù)式（2-9）～（2-11），可表示為 （3-1） 其中振動(dòng)常數(shù)為，滿足 （3-2） 其中，E為材料的楊氏模量；為柏松比；m為單位長(zhǎng)度的平均質(zhì)量，即，為材料的密度；為橫截面的二次慣性矩，即，為截面寬度；h為壓電振子的厚度，即。 在式（3-1）和式（3-2）中，、、、、為與內(nèi)徑和外徑等變量相關(guān)的系數(shù)，由邊界條件確定。對(duì)于不同的，存在、、…分別對(duì)應(yīng)于半徑方向不同節(jié)圓數(shù)的振動(dòng)模態(tài)。對(duì)于的振動(dòng)模態(tài)，由前面的式（3-2），可得圓環(huán)的共振頻率為 （3-3） 由圖3.1(a)可以看到金屬圓環(huán)中開(kāi)的尺槽，這是為了放大共振振幅和減小剛度，為了便于研究有齒定子特性，將圖3.1(a)所示的環(huán)形超聲電機(jī)的定子展開(kāi)復(fù)合梁如圖3.2所示?？紤]到復(fù)合梁是壓電陶瓷及金屬梁組成，在金屬梁的上面有齒槽。所以直梁的共振頻率計(jì)算公式需要做一些適當(dāng)?shù)男薷?。由梁的彎曲理論可知，在中性層上所用正?yīng)力為零。根據(jù)此條件就可以確定中性層及中性軸的位置。 圖3.2 復(fù)合梁的結(jié)構(gòu) 在圖3.2中，為壓電陶瓷厚度，為金屬梁厚度，為齒高，為齒寬，為梁寬。設(shè)金屬梁和壓電陶瓷的彈性模量為、，從壓電陶瓷底部至中性層距離為。由于在中性層上所有正應(yīng)力為零，可得下式 （3-4） 式中，、為金屬梁和壓電片的應(yīng)變，根據(jù)上式可以得到： （3-5） 又因?yàn)閺?fù)合梁的等效剛度為 （3-6） 式中，，為相對(duì)于中性層的慣性矩，即 （3-7） 備注：式中被積分量z是從中性軸算起。 復(fù)合梁的平均密度為 （3-8） 也可以表示為 （3-9） 由以上各式整理得：復(fù)合梁的共振頻率的計(jì)算公式為 （3-10） 式中，L為金屬梁的長(zhǎng)度。 3.2.2 共振振幅的計(jì)算 由第二章中的超聲電機(jī)的工作原理可知：超聲電機(jī)的定子振動(dòng)是由壓電陶瓷受到電壓的激勵(lì)產(chǎn)生的。當(dāng)在方向激勵(lì)壓電陶瓷片時(shí)，由于逆壓電效應(yīng)，可在方向產(chǎn)生應(yīng)變，此應(yīng)變對(duì)定子施加彎曲力矩，從而使定子產(chǎn)生彈性撓曲。定子在諧振時(shí)的彈性撓曲，即定子的振幅，可以用動(dòng)態(tài)放大系數(shù)以靜態(tài)彈性撓曲量來(lái)求得。 圖3.3中是為環(huán)形行波超聲電機(jī)定子展開(kāi)而成的等效簡(jiǎn)支復(fù)合梁。其中，梁的長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的一半，即；壓電陶瓷的厚度為；金屬梁的厚度為；底部到中性層距離為。 假設(shè)壓電陶瓷的極化方向?yàn)閦的正方向，當(dāng)沿z的正方向施加電壓，壓電陶瓷將會(huì)在z方向上產(chǎn)生彈性擴(kuò)張，并且會(huì)在x方向產(chǎn)生彈性收縮，由此引起復(fù)合梁向上撓曲。根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)可知，在一定的邊界條件下，可以通過(guò)分析應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系確 圖3.3 等效簡(jiǎn)支復(fù)合梁 圖3.4 復(fù)合梁的彎曲分析單元 定梁的彎曲曲率。根據(jù)這點(diǎn)，就可以確定在等效簡(jiǎn)支復(fù)合梁的最大偏移量。圖3.4為復(fù)合梁的彎曲分析單元。從圖上可以知道，當(dāng)應(yīng)力作用于梁的x方向，梁的彎曲曲率半徑為，沿著無(wú)應(yīng)力中性面（圖3.4中的虛線）的微小弧長(zhǎng)為ds,則有 （3-11） 當(dāng)梁的彎曲角度小于時(shí)，有 （3-12） 式中，為梁變形前中性層的微小單位；為梁的撓曲幅值。 設(shè)為x方向上產(chǎn)生的應(yīng)變，其表達(dá)式為： （3-13） 由力矩平衡可知：由于無(wú)外力矩作用于梁上，應(yīng)力函數(shù)與力臂相乘后沿等直梁剖面的積分為零，即： （3-14） 利用環(huán)形行波超聲電機(jī)定子金屬體和壓電陶瓷中應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系及簡(jiǎn)支梁的邊界條件，可由上式導(dǎo)出簡(jiǎn)支梁在中點(diǎn)處的最大位移。用簡(jiǎn)支梁的最大橫向位移乘以諧振時(shí)的品質(zhì)因子即為簡(jiǎn)支梁的諧振振幅，也就是環(huán)形行波超聲電機(jī)定子的振幅。 （3-15） 在上式中， ，、分別為定子金屬體和壓電陶瓷的剛度常數(shù)；壓電陶瓷的品質(zhì)因子， 為壓電常數(shù)，為定子環(huán)平均半徑，為定子環(huán)振動(dòng)模態(tài)階數(shù)，為電場(chǎng)強(qiáng)度。 3.3 定子建模與計(jì)算 3.3.1 ANSYS簡(jiǎn)介 有限元分析軟件是屬于計(jì)算機(jī)輔助分析軟件（CAE），常用的有限元分析軟件有ANSYS軟件、UG中的CAE模塊等。在此處使用ANSYS軟件，其主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)靜力、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)非線性、動(dòng)力學(xué)、熱、電磁場(chǎng)、流體動(dòng)力學(xué)、聲場(chǎng)、壓電等方面的分析，同時(shí)還可應(yīng)用于多物理場(chǎng)耦合分析，比如熱—應(yīng)力、電—磁、電—磁—熱等等。還具有優(yōu)化設(shè)計(jì)、外形優(yōu)化、單元生死和其他一些可以擴(kuò)展