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.     

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY ON THE PIEZOCERAMIC ACTUATING LAMINATE

压电陶瓷元件是目前在智能材料结构中广泛使用的一种驱动元件。建立驱动应力与控制信号之间的关系即传递驱动方程，对于分析压电陶瓷元件的驱动特性非常必要。本文以剪滞变形理论为基础，分析了压电陶瓷元件在驱动结构时的应力传递过程，建立了传递驱动模型；并以ＰＺＴ５型压电陶瓷元件驱动玻纤／环氧层合板为例对所建模型进行了实验验证。结果表明，建立的驱动模型与实际情况比较吻合。最后，根据实验结果和所建模型对影响压电陶瓷元件驱动层合板性能的一些主要参数作了分析。     

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。     

浅表裂痕对压电陶瓷振子工作性能的影响

压电陶瓷振子是应用相当广泛的电子无件，本文分析了逆电效应下携有表面浅裂痕扭转振子，得到了裂痕前缘的奇异电位移场和应力场的解析结果。并着重讨论了裂痕前缘电荷奇异增强对压电元件工作性能的影响。指出了提高压电元件表面加工精度的重要意义。     

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.     

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。     

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。     

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。     

基于十字压电超声换能结构的平面超声电机研究

为了丰富平面超声电机的驱动原理及结构型式,提出十字形压电超声换能式定子驱动的平面超声电机。选定该定子横向杆的面内弯振、纵向杆的面内弯振以及定子的面外弯振作为电机的工作模态。通过面外弯振模态分别与横向杆的面内弯振、纵向杆的面内弯振进行振动耦合,在驱动足上生成沿yoz面和xoz面行进的椭圆轨迹,推动动子交替沿x、y向平移。阐明了该电机的工作原理,基于定子频率一致性工作模态要求,并厘定出最适合驱动频率为24 650 Hz,优化了定子尺寸为25.5 mm×5 mm×5.9 mm。建立定子的FEM模型,对电机进行瞬态分析,当驱动电压250 V时,得到驱动足的x、y、z向振幅可达到3.1、6.2、4.3μm。该电机可望产生较大动力与速度。     

压电陶瓷布局对除冰效果的影响研究

用仿真与实验的方式研究了压电陶瓷除冰技术在复合材料上的应用。通过有限元仿真研究了在能耗相等的前提下压电陶瓷布局（数目、间距）对除冰效果的影响,并进行了冷环境下除冰实验。仿真结果表明:按合理的布局方式,将尺寸较大的单块压电陶瓷分成尺寸较小的多块时,会有比大尺寸单块压电陶瓷更好的除冰效果;随着压电陶瓷间距的减小,除冰效果进一步增强。实验结果表明:增大压电陶瓷输入功率可以较大程度缩短除冰时间;将尺寸较大的单个压电陶瓷分成尺寸较小的4块后,相同能耗下除冰效果增强;减小压电陶瓷之间的的间距后,除冰时间进一步缩短。     

旋转行波超声电机非线性摩擦界面模型

分析了对行波超声电机定子和转子间接触状态，利用间距δ更准确地表征了定、转子间几种不同的接触情况；依据行波作用的特点，利用时空方程间的对应关系，提出了用接触变形角定量地表示定、转子间接触状态的变化情况，讨论了弹性滑动、弹性滞后，特别是stick-slip现象对摩擦界面的影响；改进了传统的线性纯滑动摩擦模型．建立了非线性摩擦界面输出特性仿真分析模型。     

Influence of Friction Interface Contact on Ultrasonic Motor Efficiency Under Static Conditions

The friction interface matching plays a deterministic role in the motor efficiency,and the microcosmic contact status of friction interface should be investigated to improve the ultrasonic motor performance.The main purpose is to improve the effective output power of ultrasonic motor.Hence,one studies the contact condition of the friction interface of the ultrasonic motor,analyzes the micro condition of contact interface through finite element analysis,optimizes unreasonable structures,and compares the two different-structure ultrasonic motors through experiments.The results reflect the necessity of optimization.After optimization,the stator and rotor deform after pre-pressure and the contact interface of them full contact theoretically.When reaching heat balance the effective output of the motor is 37%,and the average effective output efficiency is 2.384 times higher than that of the unoptimized.It can be seen that the total consumption of the ultrasonic motor system decreases significantly.Therefore,when using in certain system the consumption taken from the system will decreases largely,especially in the system with a strict consumption control.     

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     

PWM变频器供电的感应电机传热特性

为了探究电动机在脉宽调(Pulse width modulation，PWM)变频器供电下的传热特性，近一步揭示变频参数（调制比）对电动机温升分 布的影响特征,以一台采用PWM变频器供电下55 kW驱动用感应电机为例，基于流体力学及传热学基本原理，结合电机通风结构特征，建立外部包裹有空气域的三维流热耦合求解域模型，并采用有限体积元法对电机内的温度场进行了数值研究。此外，针对PWM不同调制比控制条件下电动机全域内的传热特性进行了对比分析，结果表明：两个不同调制比控制条件下电机求解域 内各主要部件温升分布趋势大致相同；径向上，转子部分温升较高，在气隙位置温升出现阶跃式变化，定子部分温升较低；轴向上，电机各部分近风端温升较低，远风端温升较高；周向上，定子轭部温升呈波浪式变化。     

直线型驻波超声电机的定、动子间接触及摩擦分析

针对一种基于面内振动的直线型驻波超声电机的定、动子接触过程和摩擦机理进行了研究。在分析中将摩擦材料层简化为分布式线弹簧,利用对电机驱动过程中等速点和接触点的相对位置的分析,将接触区域进行了分区段的讨论,推导出电机速度和输出推力的关系并进行了计算机仿真。进而对不同间距下电机定、动子接触过程进行了分析和仿真。结果表明：电机的定、动子间距在建立摩擦模型中起关键作用,其变化对电机机械特性有显著的影响。