纵弯模态复合的两自由度直线超声电机

所研制的两自由度直线超声电机由一个圆柱形定子和一个滑板组成.通过三组压电陶瓷元件在定子上分别激励出两个互相垂直的弯振模态和一个纵振模态.任一弯振模态和纵振模态的组合,可以驱动滑板沿x或y方向作直线运动.本文从提高电机的输出性能和驱动效率出发,提出了电机设计的要点.这些要点包括工作模态的选择、模态频率的一致性、压电陶瓷元件和支承元件的位置、预压力的大小和干扰模态的影响等.     

基于弯振模态的螺纹杆式直线超声电机(英文)

介绍了基于弯振模态的螺纹杆式直线超声电机的运行机理.在梁弯曲振动模型的基础上,对螺纹杆式直线超声电机进行动力学分析,推导出电机定子驱动点的空间运动轨迹方程,并阐明了电机运行机理.本文应用有限元法分析了电机的振动模态和结构,设计并研制了样机.样机定子的尺寸为13 mm×13 mm×30 mm,最后对电机输出特性进行了测试,最大输出力为5.2 N.     

单模态驱动双向运动的斜动子V形直线超声电机

针对双模态超声电机对模态频率一致性要求高以及单模态超声电机难以实现双向运动等问题,提出了一种单模态驱动双向运动的斜动子V形直线超声电机。电机由导轨和V形定子构成,导轨相对于V形定子倾斜安装,V形定子的工作模态为面内对称模态或面内反对称模态,通过切换工作模态改变定子驱动足运动轨迹相对导轨的倾斜方向,实现导轨正反向运动。在分析电机工作原理及设计原则的基础上,推导了电机运行的导轨倾角范围,并对设计制作的原理样机进行了模态实验和机械特性测试。实验表明:在导轨倾角为35°,激励峰峰值电压为600V,预压力为65 N条件下,当电机工作在面内对称模态,导轨正向运动,其最大空载速度为180mm/s,最大输出力为14N;当电机工作在面内反对称模态,导轨反向运动,其最大空载速度为125mm/s,最大输出力为24N。     

三自由度超声电机定子的优化设计

研制了一种基于两个弯振模态和一个纵振模态 ,可分别绕 x,y,z轴转动的圆柱 -球体三自由度超声电机。从电机设计的角度讲 ,使电机的定子具有合适的工作模态是至关重要的。在通常情况下 ,人们往往采用试凑的办法来满足其工作模态的要求。但“试凑法”是经验性的 ,不仅耗时多 ,效率低 ,而且有可能得不到满意的结果。为此 ,本文建立了定子的优化设计数学模型 ,在 MATLAB环境下编写了相应的优化设计程序 ,并根据其优化设计结果 ,设计和制造了定子和电机的原型样机 ,其外径为 2 0 mm,长度为 67mm,重量为 1 5 7g。实验结果表明 :电机定子的模态频率和振型满足设计要求 ,并与优化结果相吻合。故本文提出的优化设计方法是可行和有效的 ,并可大大提高设计效率     

双模态切换式步进超声电机

利用环形定子的两个弯振模态交替工作的原理设计的一种驻波型步进式超声电机具有开环控制下无累积误差的特性。定子环弯振使定子上的驱动齿分别在两个工作模态下运动产生对转子的驱动力,定子齿与转子齿槽相配合实现步进定位,转子齿槽数决定电机步距角。分别对应于两个工作模态的两相正弦驱动信号经切换单元提供给电机,对不同电极扇区的激励控制电机转动方向,工作模态间的切换次数决定转动步数。原理样机转子齿槽数为72个,步距角为2.5°。试验结果表明电机运转稳定,没有失步现象。     

一种利用纵振的直线超声电机(英文)

设计了一种利用变截面杆纵振模态工作的直线超声电机,该超声电机的特点是有两个变截面杆状并由一半圆环连接。位于圆环中间驱动足顶部质点以椭圆轨迹运动,当驱动足以一定预压力接触动子时,动子将输出直线运动。通过建立定子的有限元模型并对其进行谐响应分析验证了原理的可行性。提出了电机结构设计的要求,并通过有限元方法进行了结构参数灵敏度分析,为该类电机结构的设计提供了高效的方法。样机试验表明,该电机在100mm/s的运行速度下可以推动10N的负载。     

基于直线型超声电机的两自由度精密定位平台

搭建了一种新型两自由度精密定位平台,主要由直线型超声电机、直线导轨、工作台三部分组成。采用了直线型超声电机,利用非统一截面杆在正交方向上的两个四阶弯振模态作为工作模态,其最高速度为190mm／s,最大推力为19N。该平台具有响应速度快,无后冲,高精度,断电自锁和工作行程大的特点。在位置检测装置具有1μm分辨率的情况下,其闭环最高定位精度小于2μm,且开环分辨率可达到1μm。     

一种新型微型杆式超声电机及其驱动原理

提出了一种新型微型杆式超声电机,并对该杆式电机的驱动机理进行了仿真。该电机采用两段金属柱体压紧5片压电陶瓷片作为定子。该定子结构和压电陶瓷片的布局方式可以提高其机电转换效率。为尽量减小定、转子之间的径向滑移以提高摩擦传动效率,电机采用了柔性转子,对原理样机及其微型驱动器进行了性能实验。电机的外径为9mm,长度为15mm,重3.2g。当电机工作在杆式定子的一阶弯曲频率(72kHz)附近时,电机实测最大转速为520r/min,最大输出力矩为4.5mN·m。实验结果表明,该电机具有良好的稳定性,利用频率自动跟踪技术对电机转速进行闭环控制,可以将其转速波动稳定在3%之内。     

小型杆式超声电机及其驱动电源的研究

开发了一种驱动仪表指针用的新型小型杆式超声电机,分析了电机定子等效电路参数的测量方法.为了缩小驱动电源的尺寸,根据谐振升压原理,研制了与该杆式超声电机相匹配的小型无变压器驱动电路.理论分析证明,当选择基波频率驱动、开关信号占空比为0.65时,驱动电路的工作效率最高.实验结果表明,电机的最高空载转速为520 r/min,最大输出扭矩为4.5×10-3N·m,故验证了样机及驱动电源设计方案的正确性.     

旋转型行波超声电机定子模态频率的一致性调节

从分析超声电机的工作机理出发,指出旋转型行波超声电机定子两相模态频率不一致影响超声电机旋转稳定性和输出效率。针对材料不均匀或加工误差引起的两相模态频率不一致的问题,利用结构摄动理论,通过求解定子的动力学方程,找到了调节两相模态频率一致性的方法。利用这一方法,以南京航空航天大学研制的某TRUM-60型超声电机为例,进行了AN SY S有限元计算,寻找合适的调节位置,并对两相模态频率不一致进行了调节,利用多普勒激光测振仪,对修改前后的定子的模态频率进行了测试,两相模态频率差从调节前的0.42kH z变为调节后的0.04 kH z。结果表明:这种方法对于调节定子两相模态频率的一致性是非常有效的。     

环形定子面内回转旋转超声电机原理

提出了利用两个相同的纵振振子与一个圆环相连接的定子结构,配合锥形转子构成的旋转型超声电机。采用两个振子激励下圆环所形成的回转运动推动压在其内圆内的锥形转子旋转的工作方式,定子连续驱动转子可获得较好的输出性能。两个工作模态分别由两个相同的振子激励,容易获得工作频率的一致性。该电机结构简单、制造成本低。原理样机空载转速为54 r/min,堵转力矩为0.33 N.m,起动时间为1.91 ms,关断时间为1.41 ms。     

一种圆筒型非接触式超声电机

为提高圆筒型非接触超声电机的实用性,提出一种圆筒型非接触式超声电机,电机主要由圆筒形的定子和圆筒形的转子构成,通过轴输出扭矩。文中对该型电机的驱动机理进行了分析,利用声流理论分析该电机的驱动力,获得了堵转力矩的特性。最后采用激光多普勒测振仪测试了样机定子的振动特性,并测量了电机的转速和堵转力矩,最高转速达到2100r/min,堵转力矩为1.3×1-05N.m。研究结果表明,电机运行性能良好,理论分析方法是有效的。     

一种基于纵弯模态复合的新型两自由度直线超声电机的研究

提出了一种基于两个弯曲振动模态与一个纵向振动模态复合的新型两自由度直线超声电机。介绍了这种电机的结构特点。阐述了电机实现两个自由度直线运动的原理，并从理论上证明了电机驱动点的运动轨迹为椭圆运动。在此基础上，利用有限元方法设计了电机，并制造了原理性样机。利用PSV-300F多普勒激光测振仪对电机的工作模态进行了测试，实验结果表明，电机的工作振型和工作频率等均满足设计要求。电机的试运行表明了其工作原理和设计结果的正确性，并给出了电机的输出性能。最后指出了该样机存在的问题和改进措施。     

纵扭复合型压电超声电机的研究

概述了纵扭复合型超声电机研制过程中的几个关键技术问题。内容包括电机的工作原理 ,指出了压电陶瓷片的安放位置 ,确定了一种电机的结构形式 ,该结构形式能调节所需两共振频率趋于一致。用优化方法对该结构形式的定子进行动力学设计 ,提高了设计效率 ;驱动控制电路 ;电机加工中应注意的问题。最后装配了一台直径 45 m m的电机 ,实验表明电机具有一定的转速和扭矩。     

低温环境下超声电机定子特性

超声电机是一种新型的驱动器,由于其具有大力矩/重量比,控制性能好等优点,适合在航天器上使用,因此,在低温环境下对超声电机性能的变化进行研究就非常必要.分析了在低温环境下,超声电机定子弹性体和压电陶瓷元件性能变化,改进了不同环境下超声电机用压电陶瓷的压电方程,并通过该方程推出了压电陶瓷元件的d33随着温度的下降而降低.结合超声电机定子振动,归纳出低温环境下,超声电机定子对超声电机性能下降的影响.通过超声电机在低温环境下的性能测试,验证了低温环境下超声电机定子性能变化的理论分析.得到结论:压电陶瓷在低温环境下的性能下降是影响超声电机定子性能变化的主要原因.     

高速风洞级间分离轨迹模拟试验技术

针对多级航天器级间分离研究的地面试验需求，在高速风洞中发展了能够同时模拟前、后级运动的级间分离试验技术。利用风洞的上、下迎角机构，配置电机、传动系统和控制系统，建立了可变迎角和x向位移的上驱动机构，以及可变迎角、x向位移和y向位移的下驱动机构。分别将多级航天器的前、后级模型及测力天平与风洞上、下驱动机构连接，在级间分离计算机控制下，可开展前级迎角、后级迎角、前后级x向和y向相对位置协同模拟的轨迹模拟试验。调试和应用结果表明:上驱动机构可实现迎角–15°～15°、x向0～200 mm范围内的受控运动；下驱动机构可实现迎角–11°～49°、x向0～680 mm、y向0～507 mm范围内的受控运动；系统可用于常规测力试验、投放试验、网格测力试验和轨迹捕获试验。     

模态转换型超声电机中的椭圆运动

讨论了模态转换型超声电机表面质点椭圆运动的形成,研究了基于定、转子耦合和利用独立耦合器的模态转换型超声电机的原理。通过对具有斜槽的纵扭振动耦合器上观察到的表面质点椭圆运动进行的理论分析,提出了一种利用主结构中的子结构的局部振动获得模态转换的方法,可用于模态转换型超声电机的设计。     

直升机双线摆式吸振器的动特性研究

双线摆式吸振器是位于直升机旋翼旋转平面内用来吸收该平面内桨毂纵、横向激振力的动力吸振器，能随旋翼转速而调谐。本文以桨毂安装多个相同的双线摆构成双线摆式吸振器为研究对象，从阻抗角度导出了机身／旋翼／双线摆式吸振器耦合系统的时域与频域运动方程，可求得在旋翼旋转平面内桨毂中心与双线摆质量块对桨毂中心外激振力的响应，并在其基础上重点研究了旋翼旋转平面内桨毂中心纵、横向所受激振力及加速度阻抗、吸振器结构设计参数和调谐等对吸振器减振性能影响的规律。本文结论对这类吸振器的设计具有指导意义。     

基于模态灵敏度的风力机复合材料叶片结构优化（英文）

提出了一种叶片全尺寸结构设计方法,该方法采用遗传算法确定叶片铺层厚度的最佳分布,从而使得叶片弯曲刚度最大化。采用数值微分法求解了叶片模态频率对叶片各子区域铺层厚度的灵敏度数值。选择了叶片一阶挥舞与摆振模态固有频率作为优化目标,基于模态灵敏度探究了各子区域铺层厚度对其挥舞与摆振刚度的影响,并筛选出了14个显著设计变量来驱动叶片结构优化。最优化结果显示叶片一阶挥舞与摆振频率分别提高了12%和10.4%,表明基于模态灵敏度的结构优化方法是一种提升叶片结构性能更为有效的方法。     

基于鲁棒性参数设计法的多超声电机驱动机器人的控制

由于超声电机复杂的能量转换机制和参数受温度和工作环境影响的非线性变化,使得很难对超声电机进行数学描述。为了使超声电机驱动的多关节机器人有较好的表现性能,根据超声电机的运动特点,提出了一种新颖的速度——位置双闭环反馈控制方式。鉴于该控制方式需要调节的控制参数有18个,为了获得一组具有鲁棒性的控制参数,选用了鲁棒性参数设计法。实践结果表明,所提出的控制方式能够获得机器人的良好运行性能,鲁棒性参数设计对超声电机而言是有效而方便的。