行波型超声电机定子的动态特性分析

摘要

超声电机是20世纪80年代开始发展起来的一种全新概念的微特电机。为了对超声电机进行优化设计、改善性能，并形成系统的设计理论，关键是要建立其准确的理论模型。而定子是超声电机换能的核心部件，其动态特性集中表征了材料特性和结构模态对超声电机性能至关重要的影响。建立定子的理论模型后，以定子的动态特性为研究中心，可以深入而系统地了解超声电机的各种参量对超声电机的最终性能的影响程度，更为细致地了解超声电机的能量转换机理，还能据此界定超声电机的优化设计目标，从根本上改善和提高超声电机的性能。
　　 目前最具代表性和应用最多的一类超声电机是旋转行波型超声电机。因此，本文以一类行波型超声电机的定子为研究对象，基于定子的两种解析模型，对定子的动态特性及其分析方法进行了全面系统的研究，主要完成了以下工作：
　　 1、综述目前定子的建模方法并比较其优缺点，对定子动态特性的研究意义和必要性进行了论述，突出本文研究内容的迫切性。
　　 2、深入讨论旋转行波型超声电机的运行机理，得出定子中产生行波的条件，并推导了定子表面质点的运动轨迹，证明其为椭圆。
　　 3、基于梁振动理论，从定子弯曲变形的角度，把定子等效成一根无齿槽的复合直梁，建立定子的应变传递模型。利用该模型分析应变传递能力（等效力系数）与几何参数和材质参数的关系，得出一些有价值的结论。
　　 4、采用假设模态法，基于机电系统的哈密顿原理，从振动分析的角度，建立定子的机电耦合动力学模型。利用该模型对定子的动态特性进行计算，结果与实际实验结果相符，验证了所建模型的正确性。利用Matlab程序对所建模型进行仿真，分析定子的瞬态响应和稳态响应，得到其表面质点的位移分量。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 超声电机概述

1.1.1 超声电机的工作原理

1.1.2 超声电机的特点

1.1.3 超声电机的分类

1.2 超声电机的应用

1.3 超声电机的发展及其研究现状

1.3.1 超声电机的发展

1.3.2 超声电机关键问题的研究现状

1.4 定子模型的研究方法综述

1.4.1 行波型超声电机定子的构成

1.4.2 定子模型研究的主要内容

1.4.3 定子建模方法综述

1.4.4 定子动态特性的研究意义

1.5 本文的研究目的及主要内容

第二章 旋转行波型超声电机的运行机理

2.1 压电效应与压电方程

2.1.1 压电材料及压电效应

2.1.2 压电方程

2.2 行波在定子中产生的条件

2.3 定子表面质点的椭圆运动轨迹

2.4 本章小结

第三章 基于梁振动理论的定子应变传递模型及分析

3.1 梁的弯曲振动

3.1.1 材料力学中的“简单梁理论”

3.1.2 铁木辛柯梁

3.2 定子的应变传递模型

3.2.1 环形定子的假设

3.2.2 将环形定子等效为无齿槽的复合直梁

3.2.3 应变传递模型

3.3 分析与讨论

3.4 本章小结

第四章 定子的机电耦合模型及仿真

4.1 行波型超声电机的定子

4.1.1 压电陶瓷元件极化分区形式

4.1.2 定子结构简化及其参数

4.2 定子模型

4.2.1 机电系统的哈密顿原理

4.2.2 拉格朗日能量函数的变分形式

4.2.3 外力所做功的变分

4.2.4 定子的机电耦合动力学模型

4.3 定转子的接触界面模型

4.3.1 定转子接触界面间的压力分布

4.3.2 接触面垂直模态力

4.3.3 接触面切向模态力

4.4 参数计算与仿真

4.4.1 定子耦合模型的参数计算

4.4.2 定子的动态特性计算

4.4.3 基于机电耦合模型的仿真

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致 谢