能量回馈型超声波电机的关键技术与实验研究

摘要

超声波电机是一种基于振动和摩擦驱动的微型特种电机，具有低速大扭矩、结构紧凑和快速响应能力等优点，广泛应用于微卫星和微型机器人的驱动组件中。各个国家都在研究超声波电动机，类型也在不断扩展，用途也越来越广泛，如直线型、多个自由度、非接触型等不同类型超声波电动机在广泛开发应用，大大提高了超声波电动机适应各种环境的能力与生命周期。超声波电机目前主要是提供输出力或力矩，对被控对象（如机器人）进行驱动或定位作用。而在一些极端环境（如封闭的有毒有害容器、高低温等）中工作的微型机器人，其供电是一个不容忽视的问题，本文提出了一种能量回馈型超声波电机，它既有精密驱动和定位功能，又有获取电机在运行过程中的振动能量的作用，并将其转化成电能给微电子器件供电。本论文主要从结构分析、理论建模、接口电路和实验研究等关键技术来研究能量回馈型超声波电机，具体研究内容包括:
　　1.设计能量回馈型超声波电动机的主体结构，采用ANSYS分析软件对电机关键部件:定子和定、转子接触进行实体建模，分析定子模态、谐响应特性和瞬态特性，并对定子结构进行优化，得到最优的定子结构尺寸，为能量回馈型超声电动机的样机制作奠定基础。
　　2.利用Hamilton原理、赫兹接触理论和库伦摩擦模型建立了电机机械特性动力学模型，仿真分析了负载转矩、振动幅值、预压力、接触半径、及频率等对电机械输出特性的影响。
　　3.以机械特性动力学模型为基础，采用铁木辛哥梁弯曲振动理论创建了电动机振动能量采集和转换的数学模型，仿真分析了激励电压幅值及频率等对采集输出电压、电流和电功率等特性的影响。
　　4.针对电机能量回馈环节，设计了同步开关电感采集电路(SSHI)及自供电的同步开关电感采集电路(P-SSHI)，理论分析了电路的工作原理，仿真分析了各电路的输出性能及其对能量采集效果的影响。
　　5.制成直径大小为60毫米的能量回馈型超声波电机，搭建了电机综合实验平台，对样机阻抗特性、机械特性、暂态特性和能量采集输出特性等进行实验研究，并验证理论研究结果的正确性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景意义

1．2 超声波电机简述

1．3 超声波电机的分类、特点及应用

1．3．1 超声波电机的分类

1．3．2 超声波电机的特点及应用

1．4 能量回馈型超声波电机研究现状分析

1．4．1 国内外研究历史发展与现状分析

1．4．2 不足之处

1．5 论文主要内容及章节安排

第二章 预备知识

2．1 压电材料

2．1．1 压电材料发展史

2．1．2 压电材料的主要特性参数

2．1．3 压电材料种类

2．2 压电效应

2．3 压电方程

2．4 本章小结

第三章 能量回馈型超声波电机定子结构设计与分析

3．1 电机压电振子的基本结构和工作原理

3．1．1 电机压电振子基本结构

3．1．2 电机压电陶瓷极化分区模式及其改进

3．1．3 工作原理

3．2 自由定子有限元建模

3．2．1 有限元分析软件ANSYS简介

3．2．2 机电耦合有限元模型的ADPL命令流建模流程

3．3 输出性能分析

3．3．1 振动模态

3．3．2 振动特性和电压输出特性

3．3．3 瞬态分析

3．4 电机接触模型有限元分析

3．4．1 定、转子接触模型

3．4．2 仿真结果与分析

3．5 本章小结

第四章 能量回馈型超声波电机理论模型与性能分析

4．1 能量回馈型超声波电机的工作原理

4．1．1 电机结构与工作原理

4．1．2 定子结构

4．2 电机机械特性动力学模型

4．2．1 基于哈密顿原理的机电耦合系统

4．2．2 超声电机定子的数学模型

4．2．3 摩擦界面模型

4．2．4 转子的数学模型

4．2．5 定子振动能量回收转换模型

4．3 数值计算及仿真分析

4．3．1 电机启动过程暂态特性

4．3．2 各种参数对电机性能的影响

4．3．3 电机机械输出功率与效率特性仿真分析

4．3．4 电机能量回收转换特性仿真分析

4．4 实验研究与验证

4．4．1 实验装置

4．4．2 实验结果分析

4．5 小结

第五章 电机能量采集接口电路设计与分析

5．1 能量采集接口电路设计研究现状

5．2 超声波电机能量采集系统等效模型

5．3 能量收集接口电路

5．3．1 标准能量采集电路

5．3．2 串联、并联同步开关电感电路

5．4 能量自给同步开关电感回收(SP-SSHI)电路

5．4．1 SP-SSHI电路设计分析

5．4．2 SP-SSHI电路原理分析

5．4 仿真分析

5．5 实验分析

5．5．1 实验系统与方法

5．5．2 实验结果分析

5．6 小结

第六章 能量回馈型超声波电机的实验研究

6．1 实验研究背景及主要内容

6．2 电机设计思路及其设计技术指标

6．3 电机样机及实验研究

6．3．1 阻抗特性实验

6．3．2 机械特性实验

6．3．3 振动能量采集特性实验

6．3．4 瞬态特性实验

6．4 结论

第七章 总结与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士期间论文发表

致谢

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