基于面内弯纵复合模态的直线超声电机研究

摘要

超声电动机是近三十多年来发展起来的一种全新概念的驱动装置。与传统电磁电机相比，超声电机具有结构简单、能量密度大、启停灵敏、位置分辨率高、断电自锁、低振动、低噪声、无电磁干扰等特点。所以它在航天器、微小型机械、精密仪器、小功率驱动等方面的应用具有明显的优越性。直线超声电机是超声电机的一个分支，它通过定子和滑块（或者动子）之间的摩擦耦合输出直线运动和推力。由于其结构简单，可以直接输出直线运动，不需要运动转换机构，所以除了具有旋转型超声电机的一般特点外，直线超声电机的定位精度和速度控制精度更高，可达纳米级精度。
　　本文提出了一种新型面内弯纵型直线超声电机。该电机的定子由一块青铜矩形板和八片压电陶瓷片组成，电机利用矩形板的面内二阶弯曲振动和一阶纵向振动的复合模态来工作。由于矩形板的宽度远小于厚度，其面内弯曲振动难以被激发，所以，本研究中，在青铜矩形板的适当位置开设了若干长条形孔来解决这个问题，并利用瑞利-里兹法确定了长条形孔的最佳长度尺寸。在电压信号的激励下，压电陶瓷片产生超声频率的伸缩振动，并激发出矩形板定子的面内弯纵复合模态，使矩形金属板产生共振，并使矩形板上的驱动足产生椭圆运动。通过摩擦耦合将驱动足的椭圆运动变成电机滑块的直线运动，从而实现直线电机的动力输出。
　　分析了压电材料的逆压电效应，从矩形板定子面内二阶弯曲振动和一阶纵向振动的振动方程出发，建立了矩形板定子的机电耦合动力学模型，计算了压电陶瓷片对定子所施加的面内二阶弯曲振动和一阶纵向振动的模态力，给出了若干压电陶瓷片的合理安装位置，解释了定子驱动足椭圆运动的形成机理。
　　应用有限元分析软件建立了面内弯纵型直线电机定子的有限元模型，对电机定子进行全面的仿真分析，包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析和接触分析。通过仿真，得到了定子的振型，优化了电机的结构尺寸，计算了定子产生面内纵弯复合振动时的最佳频率，验证了定子驱动足的椭圆运动的形成机理，比较了矩形板开孔前后定子的振幅、频率等变化，并通过接触分析证明了这种直线超声电机设计方案的可行性。
　　课题对弯纵型直线超声电机进行驱动和摩擦分析，从定子驱动足质点的椭圆运动研究入手，以新的视角分析了驱动足质点的椭圆运动对动子运动的驱动和阻碍机理，提出了定子质心位置和定子两端的作用力随着定子的振动而变化的观点。在此基础上，分析了定子和动子摩擦界面间的粘、滑摩擦机理，指出驱动足对动子的驱动方式为跳跃式驱动，且定子驱动足相对于动子适当的“跳跃”有利于电机的动力输出，还指出定子驱动足的“跳跃”高度取决于预压弹簧刚度、动子摩擦层的刚度、电机预压力、驱动足振幅等因素。
　　为验证本课题所设计和制造的新型超声电机合理性和可行性，加工制作了直线超声电机的样机，搭建了实验平台并进行了相关的实验。在实验中，对定子矩形板是否开孔两种情况进行了比较实验，证明矩形板开孔后可以扩大定子的振幅，特别是面内弯曲振动的振动幅度，并且电机的输出速度和最大输出力明显加大。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 超声电机的发展

1.3 直线超声电机的国内外研究现状

1.4 超声电机的动力学模型研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 新型面内弯纵型直线超声电机

2.1 引言

2.2 超声电机中压电材料的振动模式

2.3 弹性体的面内二阶弯曲振动和一阶纵向振动

2.4 面内弯纵复合模态直线超声电机的工作原理

2.5电机定子的设计

2.6 电机的结构设计

2.7 本章小结

第3章 面内弯纵型直线超声电机的机电耦合模型

3.1 引言

3.2 定子一阶纵向强迫振动的位移响应

3.3 定子面内二阶弯曲强迫振动的位移响应

3.4 电机定子的驱动足椭圆运动的形成

3.5 本章小结

第4章 面内弯纵型直线超声电机仿真与分析

4.1 引言

4.2 基于有限元的电机性能分析方法

4.3超声电机的有限元分析

4.4 定子矩形板开孔和不开孔情形的位移响应

4.5 本章小结

第5章 面内弯纵直线超声电机的摩擦驱动模型

5.1 引言

5.2定子驱动足质点的运动分析

5.3 电机运行时定子质心的颤动分析

5.4 驱动足“跳跃”式驱动机理

5.5 定子与动子摩擦界面的摩擦力分析

5.6 本章小结

第6章 面内弯纵型直线超声电机实验

6.1 引言

6.2 电机实验平台

6.3 单足矩形板定子的电机实验研究

6.4 双驱动足定子的电机实验研究

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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