H形直线超声波电动机的研究

在纵弯复合模态直线超声波电动机的基础上提出一种H形直线超声波电动机,该电机基于H形压电振子两侧金属直梁的一阶伸缩振动模态和三阶面内弯曲振动模态的叠加,在四个驱动足驱动下交替实现力的输出,通过改变两个工作模态相位差来实现速度控制及正、反方向驱动.利用有限元数值方法对振子进行了模态优化设计,确定了振子的结构参数,并加工制作了原理样机,对样机的输出特性进行了实验研究.该模型样机在驱动频率为30.70 kHz时,动子最大速度为230 mm/s,单侧驱动力为0.47 N.     

一种纵弯复合单驱动足超声波电动机的设计

研究了一种新型的纵弯复合单驱动足超声波电动机,并设计了压电振子的极化方向和电路连接。对纵弯复合单驱动足超声波电动机的10个结构参数进行了灵敏度分析,得到不同参数对电机的纵振模态、弯振模态以及频率差值的影响,并进行了纵弯简并,得到了优化后的结构参数。     

基于面内模态的直线超声微电机研究

对矩形压电振子进行了研究,对其结构进行了改进,提出了一种直线超声微电机,介绍了其结构和工作原理,运用ANSYS有限元分析软件建立了压电振子的有限元模型,对压电振子进行了模态分析和谐响应分析,对压电振子的纵向和弯曲振动的面内模态的简并进行了分析。分析发现改进后的压电振子激振频率降低,频率点得到优化;同时,压电振子的振幅也明显变大。研究结果为纵弯面内复合模态的直线超声电机制作和实验研究提供了依据。     

纵-弯复合旋转式超声波电动机的优化设计与性能分析

提出一种采用压电叠堆和压电双晶悬臂板构成的新型纵-弯复合旋转式超声波电动机,利用电动机定子的一阶纵振动和二阶弯曲振动模态复合形成接触头的椭圆运动,实现电动机的旋转驱动。分析了电动机的总体结构和运行机理,利用有限元方法建立了电动机定子的机电耦合模型,通过对定子的模态分析和结构优化设计,确定了定子的两个工作模态以及两工作模态频率的调谐。通过对定子振动特性的分析,验证了电动机设计方法和设计思路的正确性。最后,利用冲量定理和能量守恒原理建立了电动机的力传递模型,数值分析了电动机的机械输出特性。研究结果对于改善和优化超声波电动机的输出性能以及电动机的建模具有实践指导作用。     

四悬臂复合换能器式圆筒行波超声波电动机的研究

通过提出一种四悬臂复合换能器行波超声波电动机,提高了超声波电动机的输出力矩和性能。该电机由4个换能器、圆筒和转子组成,4个换能器均匀地分布在圆筒四周。通过控制输入激励信号,实现在圆筒上激励出在时间上相差π/2的纵弯模态行波,通过圆筒上齿和转子耦合使转子产生运动。在分析电机工作机理的基础上,建立了纵弯复合换能器式圆筒行波超声波电动机的有限元模型,通过对模态进行分析,最终实现电机纵振和弯振的复合模态简并。     

矩形复合超声波电动机振子的尺寸调整及优化设计

基于矩形薄板面内振动的直线型复合超声波电动机振子的尺寸设计就是通过调整复合振子弹性体的尺寸参数,并借助ANSYS的模态分析,最终在同一驱动频率下激励出弹性基体的两个面内振动模态,从而实现压电振子表面按椭圆轨迹的振动.通过ANSYS分析得到了振子频率随各尺寸参数的变化规律,从而总结出矩形超声波电动机压电振子设计的基本步骤,最后进行了尺寸优化设计分析并进行了对比.结果表明该振子设计的方法可以用于矩形超声波电动机压电振子的尺寸调整问题,从而为实现谐振提供了很好的调整方法.     

基于ANSYS的超声波电动机压电振子动力学参数的提取

从理论上推导了在某一模态下超声波电动机振子的模态参数之间的关系,利用ANSYS软件对超声波电动机压电振子进行数值模拟分析,实现了基于ANSYS的压电振子各动力学参数的提取,从而将复杂的超声波电动机振子模型简化为单自由度的弹簧一质量系统,经与理论计算值对比,结果表明该方法对于获得超声波电动机动力学参数行之有效.     

超声波电动机压电振子机电耦合振动分析

建立了超声波电动机复合定子的机电耦合有限元动力方程,利用有限元软件提供的压电单元和压电材料,通过对压电振子的激振分析实现方程的解耦,绘制了机电耦合体的导纳曲线,直观地得到了压电振子内节点自由度的分布情况,从而为压电振子的前期设计及解决机电耦合问题提供了一种有效的方法。     

纵扭超声波电动机的驱动接触有限元模型

自编了计算纵扭超声波电动机的驱动接触模型的有限元分析软件，该软件使用二维轴对称结构压电耦合有限单元，能够进行定子的模态和谐响应分析，以及定、转子接触过程（瞬态到稳态）分析。最后分析计算了直径32mm纵扭超声波电动机的振动模态、谐响应和输出特性，得到力矩-负载、转速-负载、力矩-转速曲线，计算结果与实验结果十分吻合。     

平面超声波电动机的研究

提出了一种新型平面超声波电动机.电动机采用单定子十字正交纵弯夹心换能器结构,4个驱动足位于相应端部第一个弯曲驻波的波腹处.借助有限元法,分析电机结构参数对纵振和弯振特征频率的影响趋势,调整结构参数将纵弯模态特征频率简并至22463 Hz.建立驱动足运动轨迹的数学模型,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.     

单模态纵-弯复合直线电动机的机理与特性

提出了一种融合一阶纵振和四阶弯曲振动模式的单模态直线超声波电动机,介绍了电动机的结构和运行机理,利用有限元方法建立了电动机定子的机电耦合模型,仿真分析了电动机定子的振动特性,确定了电动机定子工作模态和工作频率;利用弹性杆的纵振动和悬臂梁的弯曲振动理论建立了电动机驱动足椭圆运动轨迹方程,分析了激励电压相位差对电动机椭圆轨迹的影响;利用粘弹性接触机理给出了电动机的机械特性输出曲线,分析了预压力、激励电压幅值和激励频率等对电动机输出特性的影响。通过数值和仿真分析得出:单模态直线超声波电动机的工作频率为39 860 Hz,在外加激励电压Up-p=100 V时,电动机最大输出推力和空载速度分别达到19.1 N和310 mm·s~(-1)。     

微小型纵弯复合激励式圆筒超声电机的设计

为了有效提高超声电机的机械输出性能,研制了一种微小型贴片式纵弯复合激励式圆筒型行波超声电机。该电机由圆筒和一个纵弯复合换能器组成,换能器位于圆筒的外侧壁上,换能器由一对弯振压电陶瓷片、一对纵振压电陶瓷片和前端为变幅杆的长方形铝块组成。对电机的工作原理进行了分析,利用有限元方法对电机进行了设计与仿真,实现了电机两个基本振动模态特征频率的简并。对振动特性进行了测试,测试结果与有限元分析结果吻合良好。测试结果表明,换能器的纵振、弯振和圆筒弯振模态之间均实现了很好的匹配。。     

大推力推挽纵振弯纵复合直线超声电机

提出一种大功率夹心式纵弯复合直线超声电机。电机定子主体结构由2个小端相连的指数形变幅杆组成,并在连接处设有驱动足。纵弯振动叠加并在驱动足处产生具有驱动作用的椭圆轨迹。在经典变幅杆理论和变幅杆弯振的传递矩阵分析法的基础上,利用有限差分法,分析各结构参数变化对纵弯谐振频率变化的灵敏度,选取敏感度最大的参数作为设计变量,将电机的纵弯频率简并至27.476kHz。有限元仿真和阻抗特性测试结果与理论计算结果吻合。讨论分析了纵弯振动间的耦合作用并提出带耦合环节的等效电路模型拓扑结构,并利用单相驱动实验验证模型的正确性。电机样机的最大速度为1280mm/s,最大推力为45N。     

新型单振子多自由度超声波电机

提出一种基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机。该电机的定子由中空金属圆柱加工而成,圆柱的四周加工成4个互相垂直的平面,上面分别粘贴四片沿厚度方向极化的钛锆酸铅(lead zirconate titanate,PZT)压电陶瓷。利用压电陶瓷在垂直极化方向平面内的变形,激励定子绕Z轴的扭转振动模态,实现转子绕Z轴的转动;激励在定子中固有频率接近、振动方向相垂直的伸缩振动模态和弯曲振动模态,并通过振动的叠加使定子末端质点产生绕X轴或者Y轴的椭圆运动,实现转子绕水平轴的转动。采用有限元方法对电机的定子进行分析设计,建立电机样机实验系统并测定样机的振动特性及输出机械特性。实验结果表明基于压电陶瓷平面内应变的电机可以实现绕3个互相垂直轴的多自由度转动。     

新型柱体超声波电动机有限元设计

简要总结了小型柱体超声波电动机的研究与发展,介绍了自行设计的一种新型自由-轴支小型柱体超声波电动机,对其结构、运行机理和振型特点进行了介绍,建立了电动机定子的有限元分析模型,并利用该模型研究了定子振型、定子开槽、陶瓷片位置及模态简并等问题,给出了仿真优化计算和样机的测试结果。     

基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机驱动电路研究

介绍了一种新型基于压电陶瓷平面内应变特性的多自由度超声波电机，该电机通过两个平面内的弯曲振动模态的叠加实现转子绕Z轴的转动；并利用伸缩振动模态分别与上述弯曲振动模态叠加实现转子绕X轴和绕Y轴的转动。设计了一种基于直接数字频率合成器(DDS)原理的电机驱动电路，该电路利用在FPGA元件实现的DDS阵列产生四路正弦激励信号，并采用高压运算放大器进行功率放大。该驱动电路的特点是各路驱动信号幅值和频率及驱动信号之间的相位差均可以独立调整。电机样机的机械特性实验以及调节特性实验结果表明该驱动电路满足驱动基于压电陶瓷平面内应变的多自由度超声波电机的要求。     

基于杆纵振的直线超声电机研究

根据当前直线超声电机的特点,研制了一种新型的基于杆纵向振动超声电机,分析了电机的工作原理,并做出了样机.实验证明电机在施加合理的电压信号下能够实现往复的直线运动.     

圆柱-球体三自由度超声波电动机及其控制

研制了一种一阶纵振和二阶弯振模态组合的圆柱-球体三自由度超声波电动机。电压幅值控制采用逐点比较控制和矢量控制方法,并对其进行了运动轨迹跟踪的控制实验。     

圆柱定子三自由度球转子超声波电机的轨迹运动方程

圆柱定子3自由度球转子超声波电机利用一个定子的3种共振模态的两两叠加、合成，分别驱动一个球转子的3个自由度的旋转运动，三相同时激励时的轨迹运动方程是实现球转子预期轨迹控制的关键理论模型。在定子3种不同模态的有限元分析基础上，该文推导了圆柱定子3自由度球转子超声波电机在3相同时激励时的运动轨迹及传递机理，并对不同激励条件下的轨迹运动方程进行了分析、对比，为提高圆柱定子3自由度球转子超声波电机的定转子传动效率和进一步定量分析动力传递方式，定子优化设计，以及球转子的轨迹控制策略奠定了理论基础。