圆柱定子直线超声波电机的设计、仿真与试验研究

摘要

超声波电机是多学科交叉的产物，涉及到机械、声学、振动、材料、摩擦、电力电子及自动控制等多个学科领域。论文选择应用前景较好的圆柱定子直线超声波电机为研究开发对象，运用超声波电机振动理论和振动有限元分析方法，围绕电机设计、运动机理、数学模型、实验测试和驱动控制进行系统研究。 本文从以下几方面进行论述： 系统总结超声波电机研究的分类和应用，重点论述圆柱定子超声波电机和直线超声波电机的发展趋势，并在此基础上提出了本论文选题的意义，明确本文的研究内容。 从压电陶瓷的压电效应、四类压电方程、振动模态以及机电耦合特性出发，分析了圆柱定子直线超声波电机的工作机理，从理论上推导定子驱动足的运动轨迹，并得出驱动足最佳位置和最佳激励相位差。 设计了一台采用圆柱定子结构的弯纵复合直线超声波电机，并阐述其结构和工作原理。通过合理设计同支结构得出电机定子的振型，并设计定子的固支机构，给出电机的整体结构，完成样机制作。利用有限元分析方法对电机进行仿真，并介绍了电机定子的模态分析、谐响应分析以及阻抗特性分析。采用基于LabView的阻抗测量方法测量定子阻抗特性，并通过实验得到电机的动态特性。根据电机驱动控制方面的要求，提出驱动电路特点，研制出电机驱动电路。 初步建立圆柱定子直线超声波电机的定子与动子之间的接触模型。动力学分析采用赫兹接触和库仑摩擦，接触面摩擦材料用法向线性弹簧和切向线性弹簧建模。用文中建立的模型仿真得到电机的输出特性，并用试验对仿真结果加以验证。通过研究定子和动子间的接触模型可以进一步了解电机的工作过程，为提高电机工作性能提供依据。 利用Hamilton能量变分原理对圆柱定子超声波电机定子进行建模，推导出电机定子的机电能量系统，并通过对能量的变分，导出电机定子的运动方程，建立圆柱定子超声波电机定子机电能量转换模型，并进行仿真分析。 对双压电品片直线超声波电机进行研究，该类型电机采用正交双压电晶片，压电陶瓷用粘结剂粘贴在金属弹性体上，施加与极化方向相同的激励电压，利用压电陶瓷的d31模式产生弯曲振动。本文研制了单足驱动双压电晶片直线超声波电机，并设计了双足驱动双压电品片直线超声波电机，详细介绍了工作机理。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1超声波电机概述

1.1.1超声波电机的分类

1.1.2超声波电机的应用

1.2圆柱定子超声波电机的研究进展

1.2.1柱体旋转型超声波电机

1.2.2圆柱定子三自由度球转子超声波电机

1.2.3纵扭复合型超声波电机

1.2.4柱体直线超声波电机

1.2.5圆柱超声波电机建模中的关键技术

1.3直线超声波电机的研究进展

1.4本文研究的意义和主要内容

1.4.1本论文的研究意义

1.4.2本文的主要研究内容

第二章 圆柱定子直线超声波电机的机理研究

2.1压电陶瓷与压电振子

2.1.1弹性关系

2.1.2压电效应

2.1.3压电方程

2.1.4压电振子振动模态

2.1.5机电耦合系数

2.2圆柱定子直线超声波电机原理

2 2.1圆柱定子直线超声波电机结构

2.2.2驱动足轨迹

2.2.3圆柱定子直线超声波电机运行机理

2.3本章小结

第三章 圆柱定子结构的弯纵复合直线超声波电机

3.1定子设计

3.1.1定子振型

3.1.2定子结构

3.1.3弯纵振频率简并

3.2定子的固支预压结构

3.3电机整体结构

3.4有限元分析

3.4.1ANSYS简介

3.4.2定子有限元模型

3.4.3定子振动模态分析

3.4.4定子振幅响应

3.4.5基于FEA的阻抗计算

3.5定子阻抗特性测试

3.5.1基于虚拟仪器的阻抗特性分析系统

3.5.2测试结果

3.6电机性能测试

3.7电机的驱动控制

3.7.1微控制器

3.7.2压控振荡器

3.7.3阻抗匹配

3.7.4驱动电路

3.8本章小结

第四章 圆柱定子直线超声波电机的接触模型研究

4.1接触模型的建立

4.1.1接触界面模型

4.1.2定子驱动足表面质点运动

4.2力学分析

4.2.1法向力学分析

4.2.2切向力学分析

4.3仿真分析与试验验证

4.4本章小结

第五章 圆柱压电定子机电耦合模型的研究

5.1定子的Halmiton方程

5.2定子纵振模态下建模

5.2.1定子纵振模态下动能

5.2.2定子纵振模态下势能

5.2.3纵向压电振子电场能

5.2.4纵向激励外部施加的电能

5.2.5纵振仿真模型

5.3定子弯振模态下建模

5.3.1定子弯曲振动模态下动能

5.3.2定子弯曲振动模态动模态下势能

5.3.3弯振压电振子电场能

5.3.4弯曲激励外部施加的电能

5.3.5弯振仿真模型

5.4模型仿真

5.5本章小结

第六章　　双压电晶片直线超声波电机

6.1单足驱动双压电晶片直线超声波电机

6.1.1电机结构

6.1.2工作原理

6.1.3阻抗特性

6.2双足驱动双压电晶片直线超声波电机

6.2.1电机结构与原理

6.2.2定子输入阻抗的有限元计算

6.2.3驱动足运行轨迹

6.3本章小结

第七章　总结

攻读博士学位期间完成的主要论文及研究成果

致谢

参考文献