超声波电机分为行波型与驻波型，而行波形又分为单一振动模态和同型简并模式。而在本文中我们所研究的柱体超声波电动机，它是一种行波型电动机，利用定子弯曲振动产生的摩擦力来产生能量。[1][2]

1.1  柱体超声波电机发展简史与现状

柱体型超声波电机的研究起步较晚，但已出现多种多样的结构型式。 日本的Minoru Kurosawa于1989年首先介绍了双转子柱体超声波电动机（见图1-2）。此电机由一个定子和两个转子构成，使用了兰杰文振子换能器作为定子。1997 年，佳能公司用柱体超声波电机代替环形超声波电机，此后USM新品不断被研制出来并推向市场。[4][5]Kui Yao等于2001年介绍了将纵振动转换为弯曲振动的一种新型柱体超声波电机。国内是在2O世纪9O年代加入该研究行列的。我国清华大学的董蜀湘等人在1999年也研制了直径为15mm、长25mm、单转子、基于自由-自由弯曲振动模态的柱体超声电机，此后他们又研究了直径1mm的此种柱体电机（见图1-1）。东南大学优化设计了短柱体超声波电动机并用于导弹的导引头中。南航超声电机研究中心对上端自由、底边固支的圆柱体弯曲行波压电超声波电动机运动机理进行了研究[1]。2004年，日本又研制出用于机器人控制装置的小型柱体超声波电动机，采用叠层压电陶瓷作为换能部件，使得电机的空载转速达到625rpm，最大堵转转矩达到0.0108Nm。

图 1—1清华大学研究的柱体超声波电机

图 1—2Kurosawa 的双转子柱体超声波电动机  

1.2  柱体超声波电机的优点与应用领域

柱体超声波电机与其它超声波电动机相比，有体积小、结构简单、不用粘接、转矩密度较大、响应时间快、加工相对容易等优点，因而应用前景非常广阔。日本佳能公司已将小型柱体超声波电机取代环形超声波电机用于镜头调焦系统。还用于作为微型机器人手臂，还有望用于血管内窥镜、微型特用飞行器的核心驱动机构等。同时由于它结构和工艺相对简单，容易实现批量化生产，成为超声波电动机中最容易实现产业化的一种。[1][4][5]

1.3  选题的意义

    电机定子的设计是电机设计中最重要的一个环节。目前，电机定子设计主要利用数值仿真方法(如有限元分析)对电机定子进行模态分析，根据所需振型的频率及其与相邻振型的频率间隔来衡量该结构是否符合要求，如果不符合要求，提出修改方案，通过进一步仿真分析，最后完成电机的设计优化。文献综述

    目前，我国已经成为了是微型特种电机的生产大国（以下简称微特电机），但我国生产的微特电机产品主要集中在视听设备用的有刷永磁直流电机、交流串激电机、家用电器用电机、汽车电机、步进电机、单相异步电机等中、低档产品，技术水平低产品议价能力低。而精密产品，如计算机外设用电机、工业控制用伺服电机等，除一些外商独资企业在国内组装生产外，总体上还处于比较落后的状态。所以需要我们在超声波电机上面更加深入的研究

1.4  本文研究的主要内容

本课题的内容是研究并掌握短柱摇头超声波电机的工作原理，学习利用ANSYS进行有限元分析的方法。要求根据图纸在ANSYS中建立直径15mm的短柱超声波电机定子有限元模型，并进行模态分析，从结果中提取适合的工作模态，并对结构参数进行调整。

各章节内容安排如下：

     第一章  绪论