含损耗压电等效电路模型及在超声波电机上的应用研究

摘要

与传统电磁电机相比，超声波电机具有结构紧凑、低速大转矩、电磁兼容性好等优势，被广泛应用在航空航天、医疗器械和精密仪器等领域。由于超声波电机在微小型化产品的应用中更具优势，因此在保证体积不变的条件下，提高超声波电机的功率和效率具有重要的研究意义和工程价值。 本文建立了压电振子含三类损耗的等效电路模型，并研究损耗特性对于机械品质因数的影响。介绍一种新型驻波型超声波电机，并通过含损耗的等效电路模型，对电机定子特性进行分析。在新型电机的研究基础上，分别开发了具有自校正步进特性、大力矩特性以及双向运转特性的驻波型超声波电机。此外，本文提出一种压电作动器优化的驱动方式，为进一步提高压电作动器（包括超声波电机）的效率和工作稳定性提供基础。本论文的主要研究内容和成果如下： 1.压电振子主要包含三类基本损耗，即介电损耗、机械损耗和压电损耗。本论文针对压电振子常用的k31振动模式，建立一种含三类损耗的等效电路模型。通过对四种不同负载结构的样品进行仿真和实验分析，证明了压电陶瓷的三类损耗，尤其是压电损耗，对于压电振子能量耗散机制的重要影响。 2.研究一种具有较高功率密度的新型驻波型超声波电机。对工作于径向振动模式下的定子建立含三类损耗的等效电路模型，通过仿真结果分析压电陶瓷的三类损耗对共振频率和反共振频率处机械品质因数的影响，并讨论定子结构参数变化对于定子频率特性和机电耦合能力的影响。通过对样机的实验测试结果表明，当驱动信号为200Vpp的方波电压时，样机的堵转力矩可以达到0.27Nm，空载转速为147r/min。 3.针对压电作动器在共振频率处发热现象较为严重的问题，从提高压电作动器效率和性能稳定性的角度出发，提出一种优化的驱动方式。通过大功率测试系统对Langevin换能器进行恒速度下的功率测试，可以得出结论：最小输入功率（最大机械品质因数）位于共振频率和反共振频率之间。实验结果表明，与在共振频率处驱动相比，利用优化频率的驱动方案可以使所需的输入功率下降一半，即机械品质因数提高为两倍。 4.设计一种新型自校正式步进超声波电机，该电机通过定子弹性叶片和转子定位槽的配合设计，可以实现在开环控制下无累积误差的步进运行。电机的外径设计为30mm，高度为10mm。通过对样机的实验研究表明，样机的步距角为45°，在100Vpp的驱动电压下，堵转力矩可以达到55mNm。与同类型步进电机相比，新型结构的步进电机兼具体积小，转矩大和驱动方式简单的优势，并具有极高的可扩展性。 5.在新型驻波型超声波电机的基础上，分别设计一种大力矩驻波型超声波电机和一种双向驻波型超声波电机。通过对具有特殊性能的电机进行设计，扩展了此类驻波型超声波电机的应用范围。

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