内嵌压电陶瓷径向弯曲模态超声电机的研究

论文摘要

超声电机(Ultrasonic Motor,简称USM)具有高能量密度、质量轻、电磁兼容性好等优点,在很多驱动领域有着广阔的应用前景,但由于目前存在驱动能力小、磨损寿命短、稳定性差等缺点,严重妨碍了其实用化、产业化的进程。采用内嵌压电陶瓷的圆环形行波超声电机在结构上很好地融合了贴片式超声电机结构紧凑和夹心换能器式超声电机高机电耦合效率的特点,在构型方面体现了很大的优势。针对该种构型,已经研制出来的环形超声电机采用轴向弯曲模态,定子轴向振幅具有不一致性,能量利用率低。鉴于此,本文将延续内嵌压电陶瓷的设计思想,以提高电机机电转换效率以及驱动区域质点振动轨迹的一致性为目标,提出了一种新型的内嵌压电陶瓷径向弯曲模态行波型超声电机,该电机驱动齿表面质点振动轨迹具有良好的一致性,有利于提高定子振动能的利用率。本文对电机结构以及压电陶瓷激励径向弯振行波的原理作了详细介绍,推导了定子驱动齿的振动轨迹,并从电学模型的角度分析了电机机电转换效率的影响因素。在此基础上,建立了定子参数化有限元模型,通过模态分析确定了定子工作模态及其特征频率;通过研究其导纳特性,定性分析了定子结构参数对机电转换效率的影响;通过瞬态分析,验证了驱动齿质点椭圆运动轨迹,并对其行波质量进行了分析。以理论研究和仿真结果为基础,研制了实验样机。样机工作频率为19.85kHz,最大转速为146r/min,最大堵转力矩为1.0N·m。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及意义
• 1.2 超声电机的概述
• 1.2.1 超声电机工作原理
• 1.2.2 超声电机发展简史
• 1.2.3 超声电机的分类
• 1.2.4 超声电机的特点
• 1.3 行波超声电机国内外研究现状
• 1.3.1 贴片式行波超声电机
• 1.3.2 夹心换能器式超声电机
• 1.3.3 内嵌压电陶瓷行波超声电机
• 1.4 行波超声电机研究中存在的问题
• 1.5 本课题主要研究内容
• 第2章 径向弯曲模态超声电机的理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 电机结构设计
• 2.2.1 电机定子结构设计
• 2.2.2 电机转子结构设计
• 2.3 电机材料选择
• 2.3.1 压电陶瓷材料的选择
• 2.3.2 电机金属材料的选择
• 2.4 径向弯曲振动模态超声电机的致动机理
• 2.4.1 行波激励原理
• 2.4.2 驱动齿表面质点运动轨迹分析
• 2.5 超声电机电学模型
• 2.5.1 等效电路原理
• 2.5.2 超声电机等效电路
• 2.6 本章小结
• 第3章 径向弯曲模态超声电机特性分析
• 3.1 引言
• 3.2 定子模态及结构参数分析
• 3.2.1 定子模态分析及工作频率的选择
• 3.2.2 定子环结构参数分析
• 3.2.3 定子齿结构参数分析
• 3.3 锯齿形弹簧块等效参数的分析与确定
• 3.3.1 弹簧块弹性模量的确定
• 3.3.2 弹簧块结构设计
• 3.3.3 结构参数对弹簧块等效弹性模量的影响
• 3.4 定子导纳特性分析
• 3.4.1 电学模型仿真分析
• 3.4.2 机电转换效率分析
• 3.5 驱动齿表面质点运动轨迹分析
• 3.5.1 驱动齿表面质点的运动轨迹
• 3.5.2 行波质量分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 径向弯曲模态超声电机实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验样机与实验装置
• 4.3 定子阻抗测试与阻抗匹配
• 4.3.1 定子阻抗测试
• 4.3.2 定子阻抗匹配
• 4.4 定子振型测试
• 4.5 电机运行性能测试
• 4.5.1 电压-转矩特性测试
• 4.5.2 频率-转速特性测试
• 4.5.3 转矩-转速特性测试
• 4.6 两种内嵌压电陶瓷结构电机性能比较
• 4.7 实验结果分析
• 4.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢