机电耦合系统圆柱定子超声波电机动力学建模与仿真分析

摘要

超声波电机是以压电陶瓷逆压电效应激发的超声振动为驱动力，通过定转子间摩擦力耦合来驱动转子运动的一类非电磁电机。圆柱定子超声波电动机以其体积小、结构简单、装配简单等独特优点在精密仪器驱动领域占有一席之地，是具有广阔市场前景的超声波电机之一。 本文首先回顾了超声波电机的发展历史和圆柱定子超声波电动机在国内外的研究现状，确定了本文的研究内容，介绍了压电陶瓷的特性和圆柱定子超声波电动机的运行机理，叙述了定子表面质点的运动状况。以能量法为基础，从Hamilton变分原理出发，推导机电耦合系统圆柱定子动力学模型，通过能量变分推导出定子的运动方程，建立机电耦合系统下圆柱定子超声波电机的第一个能量传递系统；利用赫兹接触分析定转子接触面，建立转子动力学方程，明确圆柱定子超声波电机的第二个能量系统。将前后两个能量系统联系起来即得到机电耦合系统下，圆柱定子超声波电机完整的动力学理论模型。在此基础上，推导圆柱定子超声波电机仿真参数，用Matlab/Simulink仿真软件得到电机运行特性曲线，针对仿真结果对影响电机运行特性的因素进行了研究，本文还利用ANSYS有限元软件对圆柱定子超声波电机进行模态分析、谐响应分析，分析了定子的振动特性，并且研究不同因素对电机定子结构优化的影响，对实际电机设计具有指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1超声波电机发展历史

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圆柱定子超声波电机研究现状

1.4选题的意义

1.5本章小结

参考文献

第二章圆柱定子超声波电机理论基础及运行机理

2.1压电陶瓷及其特性

2.1.1压电陶瓷的弹性

2.1.2压电陶瓷的介电性

2.2压电效应与压电方程

2.2.1压电效应与逆压电效应

2.2.2压电方程

2.3压电陶瓷的振动模式

2.4机电耦合系数

2.5圆柱定子超声波电机结构

2.5.1螺栓同定兰杰文振子

2.6圆柱定子超声波电机运行机理

2.6.1圆柱定子超声波电机工作原理

2.6.2定子端面质点轨迹分析

2.7本章小结

参考文献

第三章圆柱定子超声波电机动力学模型及仿真

3.1圆柱定子超声波电机定子动力学模型

3.1.1 Hamiltion变分原理

3.1.2Timoshenko梁

3.1.3位移函数

3.1.4电机定子应力应变关系

3.1.5电机定子的振动能量

3.1.6外力对定子所作功的变分

3.1.7能量变分

3.2定转子接触模型

3.2.1赫兹接触

3.2.2定转子接触面分析

3.2.3转子动力学模型

3.3圆柱定子超声波电机动力学模型仿真

3.3.1仿真模型参数求解

3.3.2仿真结果及分析

3.4本章小结

参考文献

第四章圆柱定子超声波电机有限元分析及结构优化

4.1超声波电机结构设计常用方法及特点

4.1.1解析法

4.1.2有限元法

4.2圆柱定子超声波电机定转子有限元模型

4.2.1有限单元法基本理论

4.2.2四面体单元

4.2.3六面体单元

4.2.4定转子有限元模型

4.3基于有限元模型的定转子分析研究

4.3.1 有限元分析软件ANSYS简介

4.3.2定转子模态分析

4.3.3定子振动谐响应分析

4.4圆柱定子超声波电机结构优化

1.电机定子半径影响

2.电机定子长度影响

3.定子开槽影响

4.5本章小结

参考文献

第五章总结与展望

5.1全文总结

5.2论文主要贡献

5.3展望

致谢

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