侧梁式纵扭复合型超声电机研究

摘要

由于传统纵扭复合型超声电机采用的是环形陶瓷结构，必然需要设计出定子夹心式螺栓预紧结构，不仅存在较多的机加工和装配过程，过程误差的积累会造成电机频率不一致，严重影响电机性能；同时，未来很难实现微型化。而且扭振压电陶瓷有着较为复杂的制造工艺，且成品率低，严重阻碍了纵扭电机产业化。另外，针对纵扭电机定子理论模型的研究较少，仍不足以支撑纵扭电机应用化。针对上述情况，本文主要研究内容和成果综述如下：
　　1、设计了一种四个侧梁均匀分布在定子柱体上的整体式结构，易于电机的微型化。利用侧梁的振动间接激励出定子整体振动，且两种模态固有频率值相差较小，实现简易的激励方式。侧梁上下面贴置有相同的矩形压电陶瓷，取代传统环形扭振和纵振压电陶瓷，使压电陶瓷互换性提高。对电机进行了机械特性实验，实验测得的最大转速为140rpm，堵转力矩为8mN·m。
　　2、使用有限四自由度法对侧梁式定子结构进行模型分析。利用 Lagrange方程推导出两种振动模式下的刚度和质量矩阵，通过运动平衡方程和边界条件计算出定子一阶纵向振动和二阶扭转振动的频率收敛结果，与实验结果误差分别为5.8%和8.1%。
　　3、为了提高侧梁式电机输出性能，对侧梁式纵扭电机做了进一步改进：定子纵向振动由两侧梁间柱体面上粘贴的纵向压电陶瓷片激发，将四个侧梁的弯曲振动用于激发出定子二阶扭转振动。通过实验发现，两种工作模态的振动平均速率提升了45倍以上；电机堵转力矩为48 mN·m，提高了5倍；最大转速值为103rpm。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1引言

1.2纵扭复合型超声电机发展情况.

1.3纵扭复合型超声电机当前存在的问题

1.4本文的主要研究内容

第二章 压电陶瓷材料及其在超声电机中的应用

2.1引言

2.2压电材料主要性能参数

2.3压电方程及其振动模式

2.4压电陶瓷激励下的直杆的强迫响应

2.5本章小结

第三章 新型侧梁式纵扭复合超声电机

3.1引言

3.2新型侧梁式纵扭复合超声电机

3.3电机驱动原理

3.4基于有限元软件分析与设计

3.5机械特性实验

3.6本章小结

第四章 新型侧梁式纵扭电机有限四自由度理论模型分析

4.1引言

4.2定子单元的定义

4.3定子半长下不同截面面积和极惯性矩

4.4定子工作模态的固有频率计算

4.5有限四自由度理论模型计算值与实验值对比分析

4.6本章小结

第五章 基于侧梁纯扭振激励式纵扭复合超声电机

5.1引言

5.2基于侧梁纯扭振激励式纵扭复合超声电机

5.3电机驱动机理

5.4工作模态分析

5.5实验特性

5.6本章小结

第六章 全文总结

6.1本文的主要工作与创新点

6.2进一步研究的课题

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录

附录1

附录2

附录3

附录4