超声波电机定子设计参数对电机性能的影响研究

摘要

超声电机技术是集振动学、摩擦学、新材料和新工艺等学科为一体的高新技术。其具有低速大转矩、无电磁干扰和尺寸可微小化等独特的优点，在精密定位、机器人执行器和航空航天等领域体现出越来越重要的地位，属于研究的热点。 针对超声波电机定子的设计参数较多，对其结构的优化以及模态混叠的改善比较复杂，本文采用了有限元技术、正交试验优化技术以及人工神经网络技术相结合，对RTWUSM30、45、60，3种外径的超声波电机的模态频率及其模态混叠现象进行研究。主要工作和成果如下： 1.准确建立超声波电机定子模型，并正确设置边界条件后，有限元软件ANSYSWorkbench对电机模态频率的分析计算较为准确。 2.对RTWUSM30、45、60，3种外径的超声波电机定子参数，如压电陶瓷材料、定子齿高和定子所受预压力等10个参数进行研究得出：各设计参数对3种外径超声波电机的模态频率大小影响程度与趋势基本一致；但对于模态混叠，超声波电机定子设计参数对其影响程度与趋势不一致。说明对于模态频率的大小，超声波电机定子设计参数的交互作用较小；而对于模态混叠，定子设计参数间可能存在较大的交互作用。 3.以RTWUSM45超声波电机为例，研究了旋转行波超声波电机定子设计参数间交互作用对电机模态混叠的影响，得出：定子齿高与齿宽槽宽比、弹性支撑宽度和预压力都存在交互作用；齿宽与槽宽比和预压力也存在交互作用。其中定子齿高与弹性支撑宽度的交互作用比较强烈。 4.通过不考虑定子设计参数交互作用与考虑交互作用的对比分析发现，考虑定子设计参数间的交互作用后，对于模态混叠的预测结果更为准确可靠。说明超声波电机定子设计参数对于超声波电机的模态混叠现象确实存在较强交互作用，在研究和设计超声波电机时必须予以考虑。 5.利用较好的试验样本对人工神经网络进行训练，预测了超声波电机定子设计参数与相应的模态混叠情况。预测结果表明：利用人工神经网络无需重新建模，能较快地定性预测超声波电机定子设计参数对电机模态混叠的影响趋势。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1 引言

1.2国内外研究历史与现状

1.2.1 超声波电机技术国外研究情况

1.2.2 超声波电机技术国内研究情况

1.3课题研究的内容和研究方法

1.3.1 课题研究的主要内容与目标

1.3.2 设备的选用和软件的选用

1.4技术路线

1.5创新点

1.6本章小结

第2章压电材料特性与超声波电机传动机理

2.1 引言

2.2压电材料的发展与应用

2.2.1 压电材料的发展

2.2.2 压电材料的应用

2.3压电效应与振动模态

2.4超声波电机传动机理

2.4.1 行波超声波电机结构

2.4.2 定子行波的产生及表面质点运动规律

2.4.3 定子的共振频率

2.5本章小结

第3章 电机定子设计参数对电机性能的影响

3.1 引言

3.2模态频率的分析方法选择

3.3定子设计参数的确定

3.3.1 压电陶瓷的性能参数

3.3.2 定子金属体的性能参数

3.3.3 定子外型尺寸

3.3.4 定子齿高范围

3.3.5 齿宽与齿槽宽的比值范围

3.3.6 定子内径范围

3.3.7 压电陶瓷厚度范围

3.3.8 弹性支撑参数范围

3.3.9 定子所受预压力范围

3.4电机定子模态频率的有限元分析

3.4.1 有限元软件分析准确性的验证

3.4.2 模态分析模型的选取

3.4.3 RTWUSM30电机定子模态分析

3.4.4 RTWUSM45电机定子模态分析

3.4.5 RTWUSM60电机定子模态分析

3.5本章小结

第4章 电机定子设计参数交互作用对模态混叠的影响

4.1 引言

4.2交互作用分析参数的确定

4.2.1 分析参数的确定

4.2.2 设计参数分析水平的确定

4.2.3 参数间交互作用试验安排及结果分析

4.3本章小结

第5章神经网络预测电机定子设计参数对电机性能的影响

5.1 引言

5.2人工神经网络在多参数优化研究中的应用

5.3 人工神经网络预测超声波电机性能

5.3.1 定子设计参数与电机性能的关系描述

5.3.2 超声波电机定子设计参数BP人工神经网络预测

5.3.3 网络输入层与输出层的设计

5.3.4 样本数据的确定和整理

5.3.5 样本数据的归一化预处理

5.3.6 BP神经网络隐含层节点的确定

5.3.7 网络的训练与预测

5.4本章小结

第6章结论与展望

6.1 结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果