行波型PMNT压电单晶超声电机设计制作及性能分析

摘要

超声电机技术引入国内不到30年，相关运行机理在不断的探索和完善中前进。从发展现状来看，各种类型的超声电机基本还是以铅基压电陶瓷为主，发展相对比较成熟，也有少数得以商用。但是随着社会科技的不断发展，尤其是现代航空航天、生物医疗、信息电子、精密仪器等髙科技领域和现代工业对高精密自动化控制的需求越来越大，对超声电机的高性能化与多功能化要求更高。实际应用要求电机的各项性能在低温或真空等特殊环境下保持稳定，从而需要更深入地认识压电单晶超声电机的驱动模型、结构设计、材料加工等科学和技术层面的关键问题，为驱动电机技术发展应用提供科学技术依据。
　　本论文选取压电性能更好，且低温电性能更为稳定的压电单晶PMNT为电机驱动材料，设计制作行波型压电单晶超声电机，谋求拓展超声电机的使用范围。课题就PMNT单晶各向异性及超声电机振动模态，定、转子结构设计问题进行深入研究：
　　以[001]、[111]两个方向极化的铌镁酸铅-钛酸铅（PMNT）单晶在应变条件下的全套物理参数矩阵为基础；以欧拉转动定理、Bond张量变换矩阵压电陶瓷中的虎克定律、压电效应为理论依据；以MATLAB为工具，分别计算得到[001]、[111]两个方向极化的PMNT单晶介电常数、压电常数及弹性顺服系数的三维空间分布。确定了可以消除材料各向异性的切向，同时通过分析两种单晶性能的特点得出各自适用的超声电机种类。
　　利用ANSYS有限元分析软件，对?20行波型超声电机驱动机制建模并进行有限元模态分析、谐响应分析，选取B(0,5)为超声电机的振动模态。并且通过改变支撑板厚度、齿高、齿数、齿槽比依对定子结构进行优化设计确定了定子结构。最后对转子进行有限元静态及模态分析，确保了定、转子耦合振动接触不受干扰。
　　基于以上分析所得[001]方向极化的PMNT切向切割单晶，并按照?20型行波型电机的需求设计单晶分区。对单晶的电性能进行测试，论证了切向的准确性。对定子谐振频率测试，与有限元分析得到结果相比误差小于?2.5kHz。依据定、转子优化结果，对电机定、转子及相关配件精加工，组装后得到样机。最后对电机的频响及转动性能做简要分析。