超声换能器式波发生器压电谐波电机研究

摘要

为了满足航空、航天及精密仪器等领域对于低速大转矩微特电机的需求，本文综合超声电机技术与谐波传动技术，提出一种新型的超声换能器式波发生器压电谐波电机，并对其进行结构设计与分析。
　　首先，进行压电谐波电机的方案设计，在简单介绍压电谐波电机结构型式及布置方式的基础上，提出压电陶瓷叠堆式波发生器和超声换能器式波发生器两种驱动方式的压电谐波电机方案，经过综合比较，确定采用超声换能器式波发生器压电谐波电机的设计方案。
　　第二，进行压电谐波电机驱动源的超声换能器设计与分析。在简单介绍超声换能器设计理论及变幅杆设计理论的基础上，设计二级圆锥变幅杆超声换能器，并对其进行模态分析、谐振分析及瞬态分析，获得满足需要的超声换能器纵振谐振频率及振型，通过谐振分析验证了谐振频率下超声换能器的输出位移最大，瞬态分析结果显示，当输入电压500V、谐振频率为共振谐振频率的正弦交流电压时，超声换能器前端位移输出为80um。
　　第三，进行位移放大机构的设计与分析。为进一步扩大超声换能器的输出位移，设计二级杠杆双圆弧刃口弹性位移放大机构放大该位移，分析其主要尺寸参数在给位移放大机构位移输入端施加位移载荷时，其最大等效应力、最大应变及实际放大倍数随各尺寸参数变化的变化规律，选取合适的尺寸参数对位移放大机构进行优化设计，分析优化前后柔轮的应力应变分布情况及考虑位移损失的实际放大倍数，以及位移放大机构的输出位移，验证该位移输出是否满足柔轮变形需求。
　　最后，进行换能器式波发生器压电谐波电机整体结构设计。换能器式波发生器压电谐波电机主要由换能器式波发生器、柔轮、刚轮及壳体等组成，其中换能器式波发生器由共用一个六边形八面体的六组二级变幅杆超声换能器式压电驱动器和六组二级杠杆位移放大机构组成。进行柔轮结构设计及其主要尺寸参数对其应力应变影响规律的分析，获得满意的柔轮结构，在此基础上，完成压电谐波电机总体结构设计。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 压电超声电机的发展概况

1．3 谐波电机的发展概况

1．3．1 电磁式谐波电机

1．3．2 压电谐波电机

1．3．3 磁致伸缩谐波电机

1．4 本文主要研究内容

2 压电谐波电机的工作原理及设计方案

2．1 引言

2．2 谐波传动原理

2．3 压电谐波电机工作原理

2．4 压电谐波电机结构型式

2．4．1 径向式

2．4．2 端面式

2．5 压电谐波电机传动型式

2．5．1 摩擦式

2．5．2 齿啮式

2．6 压电波发生器的方案设计

2．7 超声换能器式波发生器驱动的压电谐波电机方案设计及工作原理

2．8 小结

3 夹心式压电换能器的设计与研究

3．1 引言

3．2 夹心式压电换能器

3．2．1 夹心式压电换能器概述

3．2．2 夹心式换能器设计理论

3．2．3 夹心式换能器的结构设计

3．3 变幅杆的设计

3．3．1 变幅杆设计原理

3．3．2 变幅杆的材料

3．3．3 变幅杆的类型

3．3．4 两级圆锥变幅杆设计

3．4 换能器有限元建模与分析

3．4．1 换能器的建模

3．4．2 换能器的ANSYS分析

3．5 小结

4 位移放大机构的设计及静力学分析

4．1 引言

4．2 弹性铰链

4．2．1 弹性铰链的类型

4．2．2 单轴弹性铰链切口形状的研究

4．2．3 单轴双圆弧弹性铰链的拉伸刚度和转角刚度

4．3 位移放大原理

4．3．1 杠杆放大原理

4．3．2 三角放大原理

4．3．3 压曲放大原理

4．4 位移放大机构设计

4．4．1 二级位移放大机构理论设计

4．4．2 位移放大机构结构设计

4．4．3 位移放大机构静力学分析

4．5 弹性铰链参数对放大系数影响

4．5．1 弹性铰链厚度对放大系数影响

4．5．2 圆弧半径对放大系数的影响

4．6 小结

5 超声换能器波发生器式压电谐波电机结构设计与分析

5．1 引言

5．2 压电波发生器的结构设计

5．3 柔轮的设计

5．3．1 柔轮变形理论

5．3．2 柔轮的结构设计

5．3．3 柔轮的有限元分析

5．3．4 柔轮参数对其变形及应力分布的影响

5．4 刚轮的设计

5．5 压电谐波电机的结构设计

5．6 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果