一种双定子杆式弯曲型超声波电机的研究

摘要

超声波电机（Ultrasonic Motor，简称USM）是20世纪80年代发展起来的一种新型微特电机。它不同于传统电机，利用压电材料的逆压电效应，将施加在压电振子（定子）上的电能转化为其在超声频段内的微幅振动，再通过定、转子之间的摩擦作用将振子的微幅振动转化成转子的宏观旋转（直线）运动，输出功率，驱动负载。超声波电机作为新型驱动器，拥有结构简单、响应快、噪音小、低转速、大力矩、便于控制驱动、无电磁干扰和断电自锁等优点，基于这些传统电机无法比拟的独特优势，它在微型机械、汽车工业、智能机器人、精密仪器和航空航天等领域都有涉及且有着广阔的发展空间。
　　为满足在诸多领域的应用需求，各种结构形式的超声波电机应运而生，其中小型化和大力矩成为人们研究的重点。在参考大量国内外研究文献的基础上本文以双定子杆式弯曲型超声波电机为研究对象，对其运行机理、设计理论、电学匹配等进行了较为系统的研究，并将电机样机进行了加工装配。主要内容如下:
　　(1)阐述了超声波电机的研究意义和发展历程，简单介绍了其分类、特点、国内外研究现状以及应用情况，确定了本文研究内容。
　　(2)介绍了杆式弯曲型超声波电机相关的基础理论，主要包括压电陶瓷的性质和梁的弯曲振动理论，并建立了数学模型。对电机运行机理进行深入研究，推导出电机定子端面质点的椭圆运动轨迹，并用MATLAB对轨迹进行仿真，同时对定转子间的接触模型进行了研究。
　　(3)对双定子杆式弯曲型超声波电机进行结构设计，介绍了兰杰文振子结构特点，提出电机锥面驱动方案。
　　(4)利用有限元软件ANSYS对电机的定子和转子结构建立有限元模型，并进行动力学分析，主要包括敏感性分析、模态分析、谐响应分析。
　　(5)研究了超声波电机的电学匹配、提出驱动系统设计方案，并完成电机样机的加工装配。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 超声波电机研究的重要意义

1．2 超声波电机的发展历程

1．2．1 国外发展现状

1．2．2 国内发展现状

1．3 超声波电机的分类和特点

1．3．1 超声波电机的特点

1．3．2 超声波电机的分类

1．4 超声波电机的应用

1．5 杆式弯曲型超声波电机的研究现状

1．6 本论文研究的主要内容

第2章 杆式弯曲型超声波电机的运行机理

2．1 压电陶瓷材料性质

2．1．1 压电性

2．1．2 介电特性

2．1．3 压电方程

2．1．4 压电振子振动模式

2．1．5 压电陶瓷的其他参数

2．2 梁弯曲固有振动及定子振动模型

2．2．1 梁弯曲固有振动

2．2．2 定子振动模型

2．3 电机的运行机理

2．3．1 定子端面行波的形成

2．3．2 定子端面质点的运动轨迹

2．3．3 有效的椭圆运动轨迹

2．4 定子驱动面锥面驱动

2．4．1 驱动面接触方式

2．4．2 定子和转子间接触状态分析

第3章 杆式弯曲型超声波电机结构设计及优化

3．1 杆式弯曲型超声波电机的设计要求

3．2 压电陶瓷片的选择与布置

3．3 兰杰文振子结构设计

3．3．1 兰杰文振子

3．3．2 定子锥面锥角计算

3．4 电机其他结构的设计

3．4．1 电机转子结构设计

3．4．2 电机预紧结构设计

3．5 电机定子结构参数敏感性分析

3．5．1 ANSYS的概率分析功能

3．5．2 敏感性分析

3．6 电机整体结构

第4章 杆式弯曲型超声波电机的有限元分析

4．1 超声波电机的主要研究方法

4．2 定子参数及有限元模型建立

4．3 定子模态分析

4．3．1 定子模态分析方程

4．3．2 模态分析方法及步骤

4．3．3 定子模态分析结果

4．4 转子模态分析

4．5 定子谐响应分析

4．5．1 定子谐响应分析步骤

4．5．2 谐响应分析结果

第5章 超声波电机的电学匹配及样机试制

5．1 超声波电机的等效电路模型

5．2 电学匹配方法

5．3 超声波电机驱动方案设计

5．4 超声波电机样机试制

5．4．1 样机制作工艺流程

5．4．2 样机整机安装

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢