弯振复合型超声电机的研究

论文摘要

超声电机作为一种新型压电驱动器,具备能量密度高、低速大转矩/推力、响应快、定位精度高、无电磁干扰也不受电磁干扰等优点,在许多高科技领域具有广阔的应用前景。提高超声电机的输出性能和能量转化效率是目前国内外研究的主要方向之一。模态复合型超声电机因具有转矩或推力大、输出速度高等优势,成为目前的研究热点,但目前该类电机多数采用异型模态间的复合实现驱动,其设计过程中存在异型模态间特征频率的简并问题。这一问题限制了该类超声电机结构设计的灵活性,并影响了该类型超声电机性能的进一步提高。本文的研究对象——弯振复合型超声电机,成功避免了模态简并的问题。本文首先分析了弯振复合型超声电机的基本结构和工作原理,以及该类超声电机应用的二阶弯振特性,并推导了驱动足处的椭圆运动轨迹。接着介绍了试验样机应用的材料及仿真分析所需要的材料性能参数。然后由等效电路仿真分析获知:减小电机定子的等效静态电容,可以提高有效机电耦合效率,而提高电机定子的刚度,既可以提高有效机电耦合效率,又可以提高机械品质因数。最后运用导纳圆理论获得了对应的等效电路电学参数。针对弯振复合型超声电机进行参数灵敏度分析,采用ANSYS模态分析研究各结构参数与模态特征频率、有效机电耦合效率之间的影响关系,提出两种缩小化模型,通过对比研究发现:通过缩小电机结构尺寸,提高模态特征频率,可以提高电机定子的能量密度。最后制作了小型化样机,机械输出性能为:空载输出速度744mm/s,最大推力15N。针对弯振陶瓷对定子基体振动的贡献强度进行仿真分析,经研究发现:弯振压电陶瓷片上不同激励区域对电机振动强度的贡献满足叠加原理,并且,远离弯振中性面的压电陶瓷对弯振模态激励的贡献高于靠近弯振中性面的压电陶瓷激励的贡献。基于上述理论,提出并研制了一种分区激励弯振复合超声电机。其样机实验测试与仿真结果偏差很大,针对这一问题,研制了一种改进方法,通过仿真分析与实验测试,验证了弯振陶瓷分区激励可以提高能量转化效率。改进后的分区激励弯振复合超声电机的机械输出性能为:空载输出速度748mm/s,最大推力25N。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声电机的概述
• 1.2.1 超声电机的工作机理及特点
• 1.2.2 超声电机的发展简史
• 1.2.3 超声电机的主要研究方向
• 1.2.4 超声电机的分类
• 1.3 模态复合型超声电机的国内外研究现状
• 1.3.1 纵弯复合型超声电机
• 1.3.2 纵扭复合型超声电机
• 1.3.3 纵振复合型超声电机
• 1.3.4 换能器式圆筒/圆盘型复合超声电机
• 1.4 模态复合型超声电机存在的问题
• 1.5 本课题的主要研究内容
• 第2章 弯振复合型超声电机理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 电机的基本结构与致动原理
• 2.2.1 弯振复合型超声电机的基本结构
• 2.2.2 弯振复合型超声电机的致动原理模型
• 2.3 电机材料的性能参数
• 2.3.1 压电陶瓷材料的选择
• 2.3.2 金属材料的选择
• 2.4 电机的电学模型
• 2.4.1 静态等效电路
• 2.4.2 电机共振频率附近的等效电路
• 2.4.3 导纳圆
• 2.5 本章小结
• 第3章 弯振复合型超声电机的小型化研究
• 3.1 引言
• 3.2 弯振复合型超声电机的参数灵敏度分析
• 3.2.1 弯振复合型超声电机的分析模型
• 3.2.2 电机模型的尺寸参数研究
• 3.2.3 电机的有限元分析
• 3.3 实验测试
• 3.3.1 电机振动测试
• 3.3.2 电机阻抗特性测试
• 3.3.3 电机机械输出性能测试
• 3.4 本章小结
• 第4章 弯振复合型超声电机的激励位置研究
• 4.1 引言
• 4.2 弯振复合型超声电机的分区激励分析
• 4.3 分区激励弯振复合型超声电机的设计与分析
• 4.4 分区激励样机的实验测试
• 4.4.1 电机振动测试
• 4.4.2 电机阻抗特性测试
• 4.5 改进式分区激励弯振复合型超声电机的研制
• 4.6 改进式分区激励样机的实验测试
• 4.6.1 电机振动测试
• 4.6.2 电机阻抗特性测试
• 4.6.3 电机机械输出性能测试
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢