田字型压电振子驱动的两自由度直线电机研究

摘要

直线型超声电机在发展之初就由于其大推力比、低噪音、断电自锁、微型化等特点广泛应用于现代科技发展的各个领域。本文旨在丰富直线型超声电机的类型，基于超声电机理论提出一种新型的田字型超声电机，本文主要完成了以下的工作： 首先，总结了直线型超声电机近几十年的发展情况并了解其国内外研究现状及应用领域，分析现有直线型超声电机的优越性与缺陷，同时预测了其在未来的发展方向； 然后，从理论上介绍了超声电机中压电材料的逆压电效应，分析了弹性体的振动理论，得出弹性体的某一固有模态必定有一固定的频率与之对应的结论，同时得出了在适当的电激励下，压电材料可以与定子基体产生共振激发出其固有振型从而得到所需工作模态的结果，通过电机工作环境的要求界定了定子基体与压电材料的种类，重点分析了动定子之间的接触情况，得出了电机在最佳驱动状态时有着与之对应的最适预紧力的结论； 接着，通过超声电机理论研究，提出了一种田字型定子的超声电机模型，由田字型定子各项尺寸灵敏度的分析得出其设计尺寸为53.4mm×53.4mm×7.4mm，对工作模态进行模态提取得到其应变与位移曲线从而确定压电材料与驱动足的配置位置，最后给出压电材料的配电方案并分析了驱动足在一个周期内的运动轨迹情况； 进而，通过对定子结构的有限元仿真分析得到了在激励电压为250V，激励频率为32286Hz时可以在驱动足得到长轴为1.5μm，短轴为1.3μm的椭圆运动轨迹，探究了在不同的电压、频率与相位时，定子驱动足的响应特性。 最后，在确定了动子材料的情况下，通过电机定子与动子之间的有限元接触分析得到了在激励电压为250V、激励频率为32286Hz的情况下，在动子表面施加150N的预紧力，电机整体的速度达到了38mm/s的结论，并且探究了在不同预紧力的作用下，电机运行速度与预紧力之间的关系，印证了最适预紧力的存在。

目录

第1章 绪论

1.1课题来源

1.2引言

1.3直线型超声电机概述

1.4直线型超声电机国内外研究情况

1.5直线型超声电机的应用情况

1.6直线型超声电机所面临的问题及未来发展趋势

1.7本文研究内容

第2章 超声电机理论及压电材料性能研究

2.1引言

2.2压电材料的压电效应与压电方程

2.3弹性体的固有振动分析

2.4电机中压电材料的激励原理

2.5定子驱动足运动轨迹形成

2.6田字型定子基体材料与压电材料的选择

2.7超声电机接触理论分析

2.8本章小节

第3章 田字型超声电机定子结构及尺寸设计

3.1引言

3.2定子基体的结构设计

3.3定子的工作模态选定

3.4定子的尺寸设计

3.5压电陶瓷片及驱动足位置设计

3.6压电材料激励配置

3.7田字型定子超声电机的驱动轨迹

3.8本章小节

第4章 田字型定子有限元动力学分析

4.1引言

4.2ANSYS简介

4.3田字型定子的有限元模型

4.4田字形定子谐响应分析

4.5田字型定子瞬态分析

4.6定子驱动足的运动特性调节

4.7本章小节

第5章 田字型动定子的接触分析与装配结构设计

5.1引言

5.2动子与定子之间的接触分析

5.3预紧力大小对电机速度的影响

5.4田字型定子超声电机装配结构设计

5.5本章总结

第6章 全文总结与展望

6.1全文总结

6.2未来研究展望

参考文献

攻读硕士期间的主要研究成果与参与的科研项目

攻读硕士期间的研究成果

攻读硕士期间参加的科研项目

致谢

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