基于纵弯模态的直线型超声马达的仿真设计

摘要

国内外对直线型超声马达在理论探索和器件制作方面进行了大量的研究。直线型超声马达具有直接产生直线运动、不受电磁干扰、定位精度高、结构简单、断电自锁等特点。它适用于机器人、精确定位装置、微型机械、航天航空等领域，具有广阔的应用前景。目前，在国外，直线型超声马达正朝着产业化方向发展，而我国的直线型超声马达研究工作才处于起步阶段。因此，对直线型超声马达进行深入研究是极其必要的。
　　本论文的主要研究内容和成果如下：通过运用ANSYS有限元分析软件建立了压电振子的有限元模型，对压电振子进行了尺寸优化、模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析。通过仿真得到了压电振子的振型，计算得到压电振子纵弯复合振动模态的频率，得到对应动态支路等效电路的各项参数，验证了压电振子表面质点椭圆运动的形成。进一步对纵弯直线型超声马达进行了接触仿真分析，从而直观的观察到马达定子对动子的驱动情况。最终，最佳仿真结果为：压电振子尺寸为l=38.2mm，w=9.6mm，t=1mm，(l为压电振子的长，w为压电振子的宽，t压电振子的厚度)，并且在频率为33090Hz时、预压力F=13N、输入电压V=10V时，马达空载速度为76.4mm/s。
　　另外对直线型超声马达的内部影响因素如材料、结构等方面做出了详细的仿真对比，同时对其外部因素，如定动子间预压力、驱动频率、驱动电压等因素也做出相应数据分析。最后文章介绍了叠层压电马达的优越性，在采用双驱动足的基础上，仿真分析以叠层压电陶瓷为振子的直线型超声马达，验证了叠层压电马达具有小尺寸和低电压驱动的特点。通过仿真结果：优化分析得到压电振子尺寸为l=6.3mm，w=1.64mm， T=0.1mm，N=10，(T为单层压电片的厚度，N为叠层压电陶瓷的层数)，在频率为200kHz时、预压力F=7N、输入电压V=10V时，马达空载速度约为511.6mm/s。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 超声波马达的分类和特点

1.3超声波马达的国内外研究现状

1.4 直线型超声马达的应用

1.5本文的研究目的和内容

2 基于纵弯模态直线型超声马达工作原理和设计要求

2.1 引言

2.2 ANSYS有限元分析

2.3 压电材料

2.4压电方程和压电振子的振动模式

2.5 驱动足金属弹性体和摩擦材料的选择

2.6 纵弯模态直线型超声马达定子工作机理

2.7 本章小结

3 基于纵弯模态的直线型超声马达定子的仿真

3.1 引言

3.2 纵弯模态直线型超声马达定子分析

3.3 纵弯模态直线型超声马达的驱动机理

3.4 压电振子优化设计

3.5压电振子ANSYS动力学仿真分析

3.6 本章小结

4 基于纵弯模态直线型超声马达接触特性仿真分析

4.1 引言

4.2 纵弯直线型超声马达接触仿真分析

4.3 直线型超声马达性能影响分析

4.4 叠层压电陶瓷的超声马达仿真接触分析对比

4.5 本章小结

5 全文总结

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表论文

附录2 攻读硕士学位期间所获荣誉