圆柱杆式双转子行波超声波电动机的研究

论文摘要

超声电机是上世纪八十年代发展起来的、基于逆压电效应的一种新型微特电机,其能量转换有两个过程,一是通过逆压电效应将电能通过机电耦合作用转化为振动形式能量,一是将振动能转换为转子动能。超声电机的出现弥补了传统电机在微领域及强电磁干扰环境下的不足,具有微体积大转矩,不受电磁干扰,响应快,结构紧凑,断电自锁等优点,在微领域、航空航天及汽车领域具有广阔前景。在参考大量国内外研究文献的基础上,本课题以实现基于两相弯振模态的圆柱杆式双转子行波型超声波电动机为研究对象,进行了该类超声驱动机理、有限元建模及优化、机械结构设计和驱动电源设计等方面的研究。本文所取得的主要研究内容概述如下：(1)本文较为系统的对超声波电机的发展历程及当前国内外的研究现状与应用情况进行总结,并对超声电机的工作特点,优势及分类方法时行介绍。针对课题研究的杆式超声电机的研究现状进行了详细的论述,提出其存在的问题与不足,并阐明课题研究的目的与意义。(2)介绍压电陶瓷、梁弯曲固有振动等关于超声电机设计的基本理论知识,对超声电机运动机理进行深入研究,讨论了定子端面行波与质点椭圆运动形成的条件。结合电机运动机理研究了超声电机转速调节机理,并提出双转子电机运动实现的条件。(3)通过有限元理论建立电机定子结构有限元理论模型,得出压电陶瓷压电系数对电机固有频率产生影响的重要结论,并通过ANSYS分析得到验证。通过ANSYS软件对压电陶瓷安装位置,定子结构参数对定子工作性能的影响进行分析,并结合此结论研制了课题样机。(4)设计了针对课题所研制电机的专用驱动控制电路,详细了介绍设计的过程,仿真分析了电路的性能特点,并对设计电路输出信号进行实验分析,表明电路设计合理可靠。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题研究的意义
• 1.1.2 超声波电机发展概述
• 1.2 超声波电机应用研究现状
• 1.2.1 国外应用现状
• 1.2.2 国内应用研究现状
• 1.3 超声波电机特点及分类
• 1.4 圆柱杆式行波型超声电机研究现状及存在问题
• 1.4.1 研究现状
• 1.4.2 存在问题
• 1.5 课题来源及本文的主要研究内容
• 第2章 压电效应与杆式超声电机驱动机理
• 2.1 压电陶瓷
• 2.1.1 压电效应与逆压电效应
• 2.1.2 压电陶瓷性质
• 2.1.3 压电振子等效电路
• 2.2 梁弯曲固有振动
• 2.3 杆式超声电机运动机理
• 2.3.1 椭圆运动的形成
• 2.3.2 杆式超声电机定子端面行波的形成
• 2.3.3 杆式超声电机定子端面质点椭圆运动轨迹的形成
• 2.3.4 超声电机转速调节机理
• 2.3.5 双转子超声电机运动机理
• 第3章 基于有限元法超声电机结构优化设计
• 3.1 有限元理论引入
• 3.2 基于有限元法的超声电机定子机电耦合模型的建立
• 3.3 ANSYS中压电陶瓷的机电耦合分析
• 3.3.1 压电耦合方法的选择
• 3.3.2 压电单元的选择与压电矩阵变换
• 3.3.3 短路与开路状态压电陶瓷固有频率分析
• 3.4 圆柱杆式超声电机弯曲振动有限元分析
• 3.4.1 压电陶瓷位置优化设计
• 3.4.2 电机结构对固有频率影响
• 3.4.3 结构谐响应分析
• 第4章 杆式行波型超声电机结构设计
• 4.1 压电陶瓷及压电振子结构设计
• 4.1.1 压电陶瓷性能分析
• 4.1.2 压电陶瓷材料选用
• 4.1.3 压电振子设计与安装
• 4.2 定子结构设计
• 4.2.1 设计思想
• 4.2.2 双转子超声电机结构驱动机理分析
• 4.2.3 电机定子结构设计
• 4.3 电机其他结构设计
• 4.3.1 定子齿结构设计
• 4.3.2 转子结构设计
• 4.3.3 电机整体装配
• 4.4 电机定子结构ANSYS分析
• 4.4.1 模态分析
• 4.4.2 结构谐响应分析
• 第5章 超声电机驱动控制电路设计
• 5.1 圆柱杆式行波型超声电机驱动方案设计
• 5.2 控制驱动电路设计
• 5.2.1 控制电路部分设计
• 5.2.2 驱动电路部分设计
• 5.3 电路仿真与实验
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢