柱体弯曲型超声波电机设计及接触模型的研究

摘要

超声波电机具有结构简单、驱动便捷、不受电磁干扰等特点。兰杰文型柱体电机采用两个正交弯曲振动耦合的工作模式，属于行波型电机，由于其结构简单、加工方便，成为了研究的热点。弹性叶片式超声波电机采用短柱结构，结构简单、力矩大、单相驱动、发展前景良好。论文围绕短柱型超声波电机和弹性叶片式超声波电机进行了原理分析、有限元仿真、性能测试及结构优化等研究工作，主要结果有:
　　(1)提出了一种短柱自由-固支模式的柱体弯曲型超声波电机结构。该结构支撑部位位于定子方形底座的四角，支撑方式简单，易于生产，长度直径比小，实用性较强。有限元仿真结果表明周向不对称对电机端部质点的轴向位移一致性的影响不大。同时，利用有限元计算研究了电机的最佳激励角。仿真和测量数据表明方底座电机定子的设计是可行的。
　　(2)针对加工出的电机周向不对称导致两相频率不同的问题，提出了一种利用有限元法调整电机结构，并确定周向和轴向切削位置及切削深度，进而有效提升电机工作性能的方法。
　　(3)采用有限元和多普勒测振仪实测相结合的方法，研究柱体弯曲型超声波电机的·。对不同预压力下电机的机械特性进行仿真，得出了预压力越大，负载能力越强，但空载转速越小的结论。由于定子表面的摩擦材料的作用，转子下表面的质点始终与定子相接触。仿真值与实验测量值基本一致，验证了接触模型的正确性。
　　(4)研究了一种新型弹簧叶片式驻波超声波电机结构。电机定子采用对压电陶瓷沿径向施加预压力的夹心式结构，压电陶瓷体积较大，不分区，沿轴向极化，施加单相交流电源即可通过模态转换作用将径向振动转换成弯曲振动，电机功率大、结构及驱动简单。此外，电机采用八个弹性叶片推动转子，增大了定转子接触面积，有效地解决了驻波电机接触面磨损大，影响电机寿命的问题。

目录

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摘要

图表目录

第一章 绪论

1．1 超声波电机的发展史

1．2 超声波电机的特点、分类及应用

1．2．1 超声波电机特点

1．2．2 超声波电机分类

1．2．3 超声波电机应用

1．3 柱体超声波电机和模态转换型超声波电机的研究现状

1．3．1 柱体弯曲型超声波电机的研究现状

1．3．2 模态转换型超声波电机的研究现状

1．4 柱体超声波电机和模态转换型超声波电机研究中尚需解决的问题

1．5 论文的主要研究内容和研究意义

1．5．1 论文的主要研究内容

1．5．2 论文的研究意义

1．6 本章小结

第二章 柱体弯曲型超声波电机的结构和工作原理

2．1 柱体弯曲型超声波电机的基本结构

2．2 压电陶瓷及压电效应

2．2．1 压电方程

2．2．2 压电陶瓷的振动模式

2．2．3 压电材料的几个重要参数

2．3 柱体弯曲型超声波电机运行机理

2．4 定子表面质点运动轨迹分析

2．5 本章小结

第三章 短柱型方底座超声波电机的设计、制作及测试

3．1 短柱方底座超声波电机的设计

3．2 定子有限元分析

3．3 自由-固支振动方式方底座电机的运行机理

3．4 定子端面质点Z向位移一致性分析

3．5 电机最佳激励角的确定

3．6 样机的制作

3．7 超声波电机驱动的实现

3．7．1 超声波电机驱动要求和常用驱动方式

3．7．2 基于TMS320F2810芯片的电机驱动器的基本器件

3．7．3 利用事件管理器产生PWM的操作

3．7．4 超声波电机调速控制的实现

3．8 电机定子阻频特性、纵向振幅及振型的测量

3．9 本章小结

第四章 柱体弯曲型超声波电机两相模态频率调节

4．1 沿周向不对称定子的建模

4．2 周向切削位置的分析及有限元计算

4．3 轴向切削位置及切削深度与频率调节量的关系

4．4 超声波电机输入阻抗计算

4．5 测量频率fA、fB与实际谐振频率fx，fy的关系

4．6 两相正交弯曲振动模态谐振频率调节的方法

4．7 本章小结

第五章 柱体弯曲型超声波电机有限元接触模型研究

5．1 超声波电机模型研究常用方法及特点

5．1．1 解析法

5．1．2 有限元法

5．2 柱体弯曲型超声波电机定转子的接触

5．3 定转子有限元接触模型

5．3．1 ANSYS接触分析简介

5．3．2 定子施加行波位移载荷位置及位移载荷的确定

5．3．3 定转子接触模型参数

5．3．4 定转子有限元模型的建立

5．3．5 仿真结果与分析

5．4 本章小结

第六章 新型模态转换型超声波电机的研究

6．1 模态转换型超声波电机的优点

6．2 模态转换型超声波电机的结构设计

6．3 模态转换型超声波电机的有限元分析

6．3．1 电机定子振动模态分析

6．3．2 电机定子谐响应分析

6．3．3 电机弹簧片结构静力学分析

6．4 模态转换型超声波电机阻抗特性分析

6．5 模态转换型超声波电机进一步优化的构想

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 论文的主要内容及贡献

7．2 今后研究工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间完成的主要论文及研究成果

攻读博士学位期间参加的科研项目