一种基于压电振动的微型旋转马达研究

摘要

本论文主要研究了一种基于尺蠖的微型旋转压电马达及其动力学模型。基于对尺蠖直线运动原理的分析，提出了L型结构的旋转运动原理，进一步考虑运动稳定性和相对运动原理，发展得到了一种具有Y型不对称定子结构的微型压电马达运动原理，设计并制作了样机;根据对马达运动原理的分析，提出了一些假设，并从不同的角度对马达的输出特性进行了预测和分析;针对不同的原理样机搭建了相应的实验平台，设计了不同的测试方案，并结合实验数据和预测结果对马达的运动原理进行了分析，验证了所提出的假设;根据微型压电马达摩擦力驱动的特点，通过分析不同类型压电马达的结构特点，总结得到了两种典型的摩擦驱动结构，并针对其中一种结构建立了完整的摩擦接触模型，并结合马达的系统动力学方程提出了该摩擦驱动结构的非光滑动力学模型，通过仿真获得了摩擦驱动结构的不同稳态运动方式，分析了摩擦驱动结构的结构参数和系统输入参数对稳态运动的影响，并由此提出了一些针对马达结构设计的建议。
　　论文的主要工作及结论包括:
　　1、微型压电马达的运动原理和结构设计。
　　基于生物界尺蠖的直线运动原理，通过机械模拟的方式，借助于微型压电致动器，提出了L型结构的旋转运动原理。根据几何稳定性分析和相对运动原理，发展得到了具有Y型不对称结构定子的微型压电马达旋转运动原理;根据微型压电马达的运动原理和定子的不对称结构，详细设计了马达的机械结构;结合微型压电马达主要依靠摩擦力驱动的特点，考虑结构的摩擦和磨损特性，设计选择了Y型定子和环形转子的制作材料和它们之间的机械配合方式，并制作了不同尺寸的样机。
　　2、微型压电马达的初步运动分析和实验。
　　通过对微型压电马达运动原理的分析，提出了一系列的假设，并从不同的角度分析，利用有限元分析和理论分析等方法，得到了对马达的输出转速特性进行了分析和预测;针对两种尺寸不同的样机设计了相应的实验平台和测试方法，分别测量了样机的动力学输出特性;结合实验结果和预测数据对马达的运动原理进行了分析，验证了所提出的假设。
　　3、摩擦驱动结构的动力学模型及其分析。
　　根据各种不同类型的驻波型压电马达工作原理，结合其结构的相似点，提出了压电马达中存在的两种典型的摩擦驱动结构，着重考虑该结构中涉及碰撞和摩擦的单边接触，建立并分析了它的动力学模型;采用事件驱动方式的仿真方法对其动力学模型进行了仿真，得到了摩擦驱动结构的六种不同的稳态运动方式，并分析了结构参数和系统参数对摩擦驱动结构稳态运动的影响，进而对压电马达的结构设计提出了一些建议。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 压电马达的研究概述

1．2．1 驻波型压电马达

1．2．2 行波型压电马达

1．2．3 准静态型压电马达

1．2．4 不同原理压电马达的比较

1．3 压电马达的数学模型与分析

1．4 论文主要研究内容

1．5 本章小结

2 压电弹性材料的基本理论

2．1 压电材料的性质与压电方程

2．1．1 压电材料的介电特性

2．1．2 压电效应

2．1．3 压电材料的弹性

2．1．4 压电方程

2．2 压电致动器的基本性质

2．2．1 叠堆致动器的输出

2．2．2 叠堆致动器的供电

2．2．3 叠堆致动器的能量转换

2．3 压电叠堆致动器的基本模型

2．4 本章小结

3 单边约束多体系统的基本理论

3．1 平面多体系统动力学方程

3．2 涉及接触、摩擦和碰撞多体系统

3．2．1 物体之间的接触运动学

3．2．2 物体之间接触的模型

3．2．3 物体之间的碰撞模型

3．2．4 物体之间的摩擦模型

3．2．5 带摩擦和碰撞的系统动力学模型

3．2．6 非光滑动力学系统的仿真与分析

3．3 本章小结

4 微型压电马达的结构设计

4．1 尺蠖运动分析与旋转运动原理

4．2 微型压电马达结构设计

4．3 本章小结

5 微型压电马达的性能实验与分析

5．1 微型压电马达转速预测

5．1．1 基于有限元方法的预测

5．1．2 基于几何方法的预测

5．1．3 基于准静态分析的预测

5．1．4 讨论

5．2 微型压电马达的测试与分析

5．2．1 微型压电马达样机1#的测试

5．2．2 微型压电马达样机2#的测试

5．2．3 讨论

5．3 本章小结

6 摩擦驱动结构的动力学建模与分析

6．1 摩擦驱动结构的分析

6．2 摩擦驱动结构的接触建模

6．2．1 接触运动学

6．2．2 不同的接触状态

6．2．3 接触状态的判别

6．2．4 接触状态之间的转变

6．3 摩擦驱动结构的数值仿真

6．3．1 仿真的算法流程

6．3．2 仿真所使用的参数

6．4 仿真结果与分析

6．4．1 不同的稳态运动方式

6．4．2 参数对稳态运动的影响

6．4．3 讨论

6．5 本章小节

7 总结与展望

7．1 论文总结

7．2 研究展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间主要的研究成果及荣誉