十字形压电振子同型模态振动驱动的平面电机

提出十字形压电振子同型模态驱动的压电平面电机新原理,选定该振子的面外弯振、面内横杆弯振、面内纵杆弯振为工作模态,利用面外弯振分别与面内纵杆弯振、面内横杆弯振的振动耦合,在纵、横杆驱动足上生成沿x Oz、y Oz面行进的椭圆轨迹以推动动子沿x、y向移动。阐明电机驱动原理,优化出振子尺寸为60 mm×60 mm×7.8mm,厘定电机最适驱动频率为30 127 Hz。建立振子机电耦合模型,研究驱动足的振动特性,模拟出驱动足的椭圆轨迹,仿真得到在250 V电压激励时驱动足的x、y、z向振幅分别为1.6μm、1.6μm和1.2μm。建立电机的整机分析模型,探析驱动电压、频率、相位差、预紧力对电机速度的影响。在正常驱动条件下,电机速度可达50 mm/s。该电机在平面装置驱动中的应用前景广泛。     

H-结构薄板纵弯复合模态驱动的压电直线电机

为高性能压电直线电机设计奠定基础,推出基于H型振子的直线电机并利用该振子两纵向杆面内一阶纵振与二阶弯振驱动电机。研究电机的驱动机理并从理论上阐释振子纵杆驱动端质点的椭圆运动形成过程;建立振子有限元模型并对其工作模态、灵敏度、谐响应进行分析;优化振子结构尺寸,完成电机装配结构设计并制作出振子、电机实物;对振子进行模态试验,结果显示该振子不仅具有预设的工作模态,且在正常激励条件下,驱动端纵、弯振幅值分别可达1.2 μm,1.4 μm。研究表明,该电机有望产生较大速度与动力。     

弯振复合型超声驱动器振动特性研究

为了避免模态复合型超声驱动器中普遍存在的频率简并问题,作者在前期研究中提出了一种新型的弯振复合型超声驱动器。该驱动器采用压电金属复合梁两个正交弯振模态的复合在两个驱动足处激励出椭圆轨迹振动。本文对该驱动器的振动特性进行深入研究,旨在获得驱动区域质点的真实运动轨迹。首先,建立了矩形截面梁在弯振复合模态下末端区域质点振动轨迹的数学模型;然后,借助有限元瞬态分析,对驱动足振动轨迹进行仿真,实现对所建立振动轨迹数学模型的验证。振动轨迹方程和仿真结果均表明：两个驱动足表面质点振动轨迹均为三维的椭圆,垂直于驱动器轴线的平面内的椭圆振动更适合用于致动输出。最后,分析了该驱动器存在的不足之处,提出了一种改进方案,采用对称设置压电陶瓷片实现两个驱动足振动特性的一致;通过瞬态分析在两个驱动足处得到了一致的振动轨迹,改进的样机实现了输出特性的显著提高。     

纵弯复合多自由度球形超声电机的研究

摘 要：目前国内外对多自由度超声电机的研究和应用尚属探索阶段,出现了多种结构的多自由度超声电机。本文提出了一种新型单振子纵弯夹心换能器式超声电机结构,由单一驱动足产生多自由度振动轨迹,驱动球形转子作多自由度运动;对十字交叉换能器做了模态分析,对纵振和弯振做了模态简并;建立了驱动足的运动轨迹方程,并仿真分析了典型驱动方式下驱动足的振动轨迹;试验测试了样机转子绕X、Y、Z轴转动的速度与电压之间的关系和转矩与速度之间的关系,计算了相应情况下电机的最大效率;电机旋转方向与分析结果一致。
     

U型变截面薄板面内复合模态驱动的直线超声电机

提出一种U型变截面薄板结构驱动的压电直线超声电机,选定U板两纵杆的一阶反对称纵振和二阶对称弯振为工作模态。阐释了电机驱动机理,推导了定子驱动端椭圆运动轨迹;基于纵、弯工作模态频率一致性模型,优化了电机结构尺寸;通过谐响应分析及激光测振试验,证实了定子工作模态的存在及其纯正性;设计出电机装配结构,制作出其原型样机;构建电机驱动控制平台,驱动电机运转,验证电机原理的可行性。通过速度特性试验发现:当驱动频率为78.11 kHz且电压幅值为240 V时,电机最大运动速度可达125.6 mm/s。     

单相斜轨塔形直线超声电机设计与实验

对一种理论斜直线运动轨迹的单相驱动双向运动的直线超声电机进行了理论及实验研究.该电机由塔形定子和倾斜一定角度安装的导轨组成,定子的两个正交工作模态为y-z面内对称振动模态和x-z面内弯振模态,分别对应电机的正反运动方向,利用在工作模态下定子驱动足表面质点相对于导轨的理论斜直线运动来驱动导轨运动.分析了电机的工作原理,推导了电机运行的导轨倾角范围,研制了样机,并进行了模态实验和机械特性实验.实验表明:在导轨倾斜角为35°、激励电压500 Vp-p、预压力4.5 N下,当电机工作在y-z面内对称振动模态,电机正向运动,最大空载速度为79 mm/s,最大输出力为0.5 N;当电机工作在x-z面内弯振模态,电机反向运动,最大空载速度为756 mm/s,最大输出力0.8 N.     

单振子二自由度球面马达的运动机理

利用矩形板形压电振子的两种振动模态,构建了一种采用单片压电振子驱动球形转子,形成两个旋转自由度的压电球面超声马达,对马达的作用机理进行了仿真分析和试验验证.利用有限元法对马达的矩形板压电振子的振动模态、共振频率进行了分析计算,仿真结果表明矩形板压电振子能够形成振型清晰的B32和B23振动模态,模态频率分别为49.127 kHz和49.756 kHz.对压电振子上每个凸起与球形转子之间的接触点的运动轨迹进行了计算机仿真,并对仿真结果进行了试验验证.分析结果表明各接触点能有效形成时序合理的椭圆运动轨迹,作为支撑足的一组凸起的变形量占作为驱动足的一组凸起的变形量的30%,能够用于驱动球形转子形成二自由度转动.仿真分析和试验结果证明了二自由度球面马达球形转子形成二维运动的作用机理.     

超声电机振子振型激励技术研究进展

超声电机是靠压电陶瓷的逆压电效应激发振子的共振,利用振子、动子之间的摩擦耦合来推动动子运动的。根据合成振子和动子接触面质点的周期运动所需的模态数目, 超声电机振型激励技术可以分为单一振动模态类、两同频振动模态叠加类和多个振动模态叠加类,文中介绍了各类中具有代表性的超声电机的振型激励原理和特点,最后对超声电机振子振型激励技术的发展方向进行了展望。     

旋转式惯性压电电机的振子模型研究

提出了一种新型旋转式压电惯性电机,利用压电双晶片振子作为驱动元件,用锯齿波作为激励电信号产生惯性冲击力使电机旋转。分析了旋转式压电惯性电机的驱动机理,建立了压电振子的动力学模型,求解了振子的自由振动固有频率和模态函数。分析了影响压电振子固有频率的系统参数及其影响规律。计算结果表明梁端部模态函数值与质量系数α的值成反比。这些结论为压电惯性电机的设计和进一步的研究提出了新的思路和方法。     

盆架型压电平面电机响应面法动力学特性优化

为解决压电电机定子在设计过程中存在的定子结构尺寸难以拟定、驱动足激励变形难以最大化以及进行多目标设计时难以求得全局最优解等问题,以盆架型压电电机定子为研究对象,在以有限元法构造定子参数化模型的基础上,利用模态置信准则(modal Assurance Criterion,MAC)进行定子工作模态的筛选与捕获,采用中心复合设计法(Central Composite Design,CCD)生成采样计算点,结合克里金法(Kriging Method)搭建相关特征结构尺寸参数的响应面优化模型,并运用多目标遗传优化算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)在基于响应面模型所得的设计空间内进行最优解的全局搜索。通过定子谐响应分析得到弯-纵振频差相对于“试凑法”所得结果下降30 %,且无明显干扰模态,由此验证了优化模型的正确性。瞬态分析结果表明定子驱动足的x 方向位移为6.4 μm,y 方向位移为5.48 μm,z 方向位移为6.16 μm,各相位移均有明显增长。说明根据优化设计得到的定子驱动足位移更大,三相工作模态更接近,电机运行更加平稳。     

Coupled tangential-axial resonant modes of piezoelectric hollow cylinders and their application in ultrasonic motors

This paper describes a tangential-axial eigen-mode of a piezoelectric hollow cylinder. A new type of piezoelectric ultrasonic motor using this oscillation mode has been developed. The motor is a traveling-wave-type motor. The stator of such a motor consists of a solid piezoelectric hollow cylinder, which, excited in the tangential-axial resonant mode by a three-phase electrical signal, will exhibit elliptical displacement and transfer rotation to the rotor. The behavior of the stator has been simulated with finite element method (FEM) software. The simulation results have been checked with single-point contact measurements on the surface of the ultrasonic motors. The paper closes with the introduction of new ultrasonic motors based on this oscillation mode.     

A rotary ultrasonic motor using bending vibration transducers

A rotary ultrasonic motor using bending vibration transducers is proposed. In each transducer, two orthogonal bending vibrations are superimposed and an elliptical trajectory is generated at the driving foot. Typical output of the prototype is a no-load speed of 58 rpm and maximum torque of 9·5 Nm under an exciting voltage of 200 V(rms).     

A piezoelectric motor using two orthogonal bending modes of a hollow cylinder

This paper proposes a compact ultrasonic motor with low manufacturing costs, a simpler driving circuit, and scalability. The stator of the motor presented in this paper consists of a hollow metal cylinder, whose outside surface was flattened on two sides at 90 degrees to each other, on which two rectangular piezoelectric plates were bonded. Because the cylinder has a partially square/partially circular outside surface, the stator has two degenerated bending modes that are orthogonal to each other. A wobbling motion is generated on the cylinder when only one piezoelectric plate is excited at a frequency between the two orthogonal bending modes. A rod through a pair of ferrules was used as the rotor of this motor. The prototype motor, whose stator was 2.4 mm in diameter and 10 mm in length, operated at 69.5 kHz, was experimentally characterized, and a maximum torque of 1.8 mNm was obtained.     

A U-shaped linear ultrasonic motor using longitudinal vibration transducers with double feet

A U-shaped linear ultrasonic motor using longitudinal vibration transducers with double feet was proposed in this paper. The proposed motor contains a horizontal transducer and two vertical transducers. The horizontal transducer includes two exponential shape horns located at the leading ends, and each vertical transducer contains one exponential shape horn. The horns of the horizontal transducer and the vertical transducer intersect at the tip ends where the driving feet are located. Longitudinal vibrations are superimposed in the motor and generate elliptical motions at the driving feet. The two vibration modes of the motor are discussed, and the motion trajectories of driving feet are deduced. By adjusting the structural parameters, the resonance frequencies of two vibration modes were degenerated. A prototype motor was fabricated and measured. Typical output of the prototype is no-load speed of 854 mm/s and maximum thrust force of 40 N at a voltage of 200 V(rms).     

Y形旋转超声波马达的设计与动态特性分析

为了探索和丰富旋转超声波马达的结构,使其满足响应精准且速度快以及控制简便的要求,设计了Y形旋转超声波马达,并对其结构及动态特性进行了分析。Y形旋转超声波马达将3组压电陶瓷片的横向振动复合成驱动足端面对转子的微幅驱动,通过摩擦耦合在惯性作用下推动转子顺时针或逆时针旋转。运用Workbench软件中的Design Exporation组件对Y形旋转超声波马达定子组件的结构尺寸进行了优化设计,提升了定子组件的性能。构建优化后Y形旋转超声波马达定子组件的有限元仿真模型,并通过模态分析获得了定子组件工作所需的固有振型,通过谐响应分析获得了定子组件的幅频特性曲线,通过瞬态分析获得了1个激励周期内定子组件的振动模态,验证了Y形旋转超声波马达的驱动机理。结果表明,Y形旋转超声波马达压电陶瓷片表面施加电压的最佳频率为20 739 Hz,对应的驱动足端面的振幅为6.95 μm。Y形旋转超声波马达结构简单且具有对称性,能效利用率高,对拓宽超声波马达的应用领域有重要参考价值。     

利用音叉共鸣结构的大振幅双足压电直线电机

本文提出了一种根据人类行走姿态加以抽象的新型双足压电直线电机。音叉共鸣结构的引入使得驱动足可以产生大振幅,而且提高了压电换能效率,低电压即可驱动。驱动足实现大振幅的意义在于大大降低了对于导轨的要求,木轨、塑料轨等首次成为压电超声波电机的驱动导轨。本文建立了该电机简化的动力学模型,分析了定子拓扑结构、配重等设计参数对于输出机械性能的影响,给出了设计准则。通过实验测出了该电机的输出特性,最高输出速度为210mm/s,最大输出力为0. 5N。