2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算模型

理论和试验研究2自由度行波型超声波电动机的机械特性计算问题.分析2自由度行波型超声波电动机空间结构关系和定转子接触面的摩擦力.利用空间位置关系,计算得到了行波定子和球转子接触面上任一点的摩擦驱动力和摩擦阻力.根据运动稳定时行波定子轴向力平衡关系,推导给出2自由度球形行波型超声波电动机的特性计算解析式.通过研制的样机进行理论和试验分析,证实计算模型有效性和准确性,并分析各种电动机参数对输出机械特性的影响.研制的样机实现最大堵转转矩达0.10 N·m,空转转速为90 r/min左右.研究工作为下一步球形行波型超声波电动机的设计、优化和控制提供了理论基础.     

基于粘弹性接触模型的行波型超声波电动机特性模拟

基于粘弹性摩擦层在定子表面的行波超声波电动机接触模型,利用MATLAB方法,模拟分析了摩擦材料的厚度和弹性模量对电动机特性的影响。分析结果表明,摩擦材料厚度越小,弹性模量越大,电动机的负载特性越好。当摩擦材料的厚度在0．5 mm以下、负载力矩在36 N·mm以上时,界面转换效率值较高。而当磨擦材料的厚度在0.2 mm左右时,界面转换效率有一个最大值。因此,摩擦材料的厚度一般应选择0．2 mm。当摩擦材料的弹性模量大于1．5 GPa时,在较大的负载力矩范围内,电动机的界面转换效率均较高,因此电动机具有较好的驱动能力。这些结果对电动机摩擦材料的选择有一定的理论指导意义。最后将此模型与现今研究较多的柔性转子和刚性定子模型进行了比较。结果表明,以此模型为基础的行波型超声波电动机可以获得较大的输出力矩。     

行波型超声波电动机的模型研究

基于功能转换与守恒原理,根据行波型超声波电动机的特殊结构,借助于行波型超声波电动机定子环表面 的作用力、定子环的波动速度、定子环的机械损耗和定子环对转子环的推动力,按照两种不同的转子材料,从行 波型超声波电动机的物理机理出发,分析和推导了在两种不同的运动状况下转子环存在的功率损耗和转子环的输 出转矩,从而建立了行波型超声波电动机的转矩平衡方程,为行波型超声波电动机的控制提供了实用的数学模型。     

超声波电动机胶粘技术及其对定子特性的影响

针对行波型超声波电动机定子压电陶瓷(Piezoelectric,PZT)的胶粘问题,通过对定子的机电耦合效应有限元动力学模型的分析与计算,研究了胶粘层材料特性、厚度对超声波电动机定子振动特性的影响。重点分析不同激励条件下定子边缘缺胶和夹有气泡对胶层的抗剪切能力和定子振动特性的影响;分别从改进电动机定子结构和PZT粘结工艺方面探讨了提高胶粘层抗剪切能力的措施,确定了胶层最佳参数和电动机定子胶粘工艺及结构优化设计思想。结果表明：胶层厚度对电动机定子频率影响不大,但对其振动特性的影响较大,在保证可靠的粘结强度下降低胶层厚度有利于提高电动机性能。基于该工艺和设计思想研制的直径80 mm行波型超声波电动机性能稳定,堵转力矩达到1.2 N·m,空载转速80 r/min,研究结果有助于超声波电动机的产业化。     

行波型超声电动机定子振动模型及其驱动设计

利用复合梁振动理论对典型结构的行波型超声波电动机(TWUSM)的振动特性进行了研究。根据定子结构的特点,将定子简化为一系列简支梁,由此建立了描述定子在逆压电效应作用下的强迫振动模型。此外,该模型还考虑了粘滑阻尼转矩和外部阻尼力的影响。最后借助于广义模态方法对该方程进行了求解,从而获得了在不同控制变量和不同结构参数下TWUSM的振动特性。为验证模型的准确性,设计制作了一台TWUSM样机和专用驱动器。样机试验结果与模型的仿真结果具有较好的一致性,从而验证了模型的有效性。     

行波型超声波电动机摩擦材料的寿命预测模型

针对转子摩擦材料与定子的动态接触过程,提出摩擦材料的磨损是由定子上的波峰一次次包络而产生。借助行波型超声波电动机定子和转子的粘弹性接触模型,推导出法向压力分布和定子与转子相对滑动速度函数,代入Archard经典磨损计算公式,建立了行波型超声波电动机摩擦材料的磨损寿命预测模型。在建模中,利用了行波中位移和时间参数之间的特定关系,分析定子和转子的接触区间大小,并考虑摩擦材料厚度变化。基于所建立的模型,模拟迭代出一种行波型超声波电动机的摩擦材料磨损寿命预测曲线。结果表明,磨损寿命预测曲线与试验结果相一致,证实了预测模型的合理性。     

压电陶瓷对超声波电动机定子特性的影响

压电陶瓷(Piezoelectric ceramic,PZT)是组成超声波电动机定子的核心元件,其性能的优劣将直接影响超声波电动机的输出性能。为了研究PZT对超声波电动机定子特性的影响,利用有限元法建立超声波电动机自由定子的机电耦合动力学模型,利用该模型重点研究PZT厚度、极化分区形式、极化不均匀性以及PZT开路和短路条件时对定子动态特性的影响,并提出基于能量的PZT极化分区形式、极化不均匀性对定子动态特性影响程度的评价方法。采用自然对流传热问题的牛顿冷却定律和热容理论,建立超声波电机定子的温度特性理论模型,基于该模型研究PZT材料介电损耗对电动机定子的温度特性影响。研究结果表明:电动机定子模态频率随PZT厚度的增大而增加,而定子表面质点的振动幅值则随PZT厚度的增加而减小;PZT开路时的定子模态频率比短路时的模态频率大;改进PZT极化分区形式和极化不均匀性均可以提高超声波电动机自由定子的动态特性。基于该研究结果制作的直径10.4mm行波型超声波电动机性能稳定,堵转力矩达到9.5mN·m,空载转速1000r/min,研究结果有助于超声波电动机的产业化。     

柔性转子对行波超声波电动机性能的影响

提出旋转型行波超声波电动机中柔性转子的明确定义,指出柔性转子属于做大范围运动的弹性圆板的动力学范畴,得到了柔性转子上任意点的运动描述.利用Lagrange方程,得到柔性转子的刚柔耦合的动力学模型,并将其与基于柔性转子的接触界面模型、定子的半解析动力学模型有机地融合在一起,得到了整个电动机的动力学描述.通过分析实例,表明当把转子作为柔性体来考虑时,定、转子的接触界面变得复杂和不对称,由此解释了试验中发现的适当转子阻尼可以改善电动机性能的现象.进一步分析和阐释了柔性转子通过自身的弹性变形,减少界面上定、转子之间的径向磨损并提高电动机输出效率的机理,得到了试验的验证,为柔性转子的结构设计提供了理论依据.     

行波型超声波电机及其研究

超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的新原理微特电机。与传统电磁型电机截然不同,其驱动力矩并非南电磁感应产生,而是由压电陶瓷超声频域的振动转化而来。该文从振动理论出发,成功设计制作了一台行波型超声波电机的样机,并对样机的性能进行测试和分析,得出了提高这种电机性能的关键参数。     

基于能量密度等效的Ⅰ-Ⅱ型裂纹K因子半解析模型

应力强度因子K是控制脆性断裂与疲劳裂纹扩展行为的重要力学量,历史上各类裂纹试样的K因子计算方法与公式都较复杂,所得到的KⅠ和KⅡ表达式为不同形式的回归式,公式的适用范围有限。针对含Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的试样,基于能量密度等效原理提出求解Ⅰ-Ⅱ混合型裂纹的K因子半解析模型,模型参数少,形式简单,普适性强,适用范围广。半解析模型预测的应力强度因子与文献结果和有限元结果吻合,该模型为脆性断裂与疲劳裂纹扩展行为相关研究提供了重要的理论基础。     

新型啮合式电动机的快速非线性模型

为了分析新型啮合式电动机的性能,根据磁化曲线构造近似模型对电机进行分析,提出了一种啮合电机的快速非线性模型。把电流和转子位置角对电机性能的影响分开讨论,构建了以电流和转子位置角为变量的磁链连续函数,避免了以往分段模型的不连贯所带来的计算困难。通过构造磁链解析式,并对其进行积分、微分操作,最终得到电流、转矩的解析解。此模型具有连续可导可积分的特性,具有很好的计算速度和精度。仿真结果表明此模型可以实现对啮合电机性能的准确快速分析。     

面向直线超声电机定子机电耦合模型的研究

针对所设计的一台驻波型直线超声电机,利用分析动力学的Lagrange方程,采用振型假定法建立定子的机电耦合模型。运用该模型可以计算出该超声电机定子在特定模态下的模态质量、模态刚度等参数。利用ANSYS计算结果对该模型的计算结果进行了验证,并给出了实际电机定子的频率值。结合电机的摩擦模型,可预估出电机的性能,可实现该类型电机的设计、仿真一体化。     

行波超声电机理论建模及优化设计的研究进展

超声电机是一个复杂的机电耦合系统,其理论模型是电机设计中的重点和难点。本文对近20年来旋转型行波电机的理论建模进行了较全面总结,提出现今面临的新课题。提出经过子系统分析在状态空间中建立整个系统理论模型的思路,该模型将使超声电机的性能预测更准确更方便,为超声电机的优化设计打下基础。     

改进平衡优化器的超声电机无模型自适应控制

为了提高超声电机的控制性能,将基于数据驱动的无模型自适应控制（Model Free Adaptive Control,MFAC）方法应用到超声电机的速度控制中,并针对MFAC存在参数调整困难的问题,提出一种改进的平衡优化器（Improved Equilibrium Optimizer, IEO）算法用于MFAC参数寻优。首先,利用自适应生成概率策略来平衡算法的探索与开发能力;其次,引入折射反向学习策略来扩大解的搜索范围,提高算法的收敛速度,同时采用柯西变异策略来提高算法跳出局部最优的能力;最后,提出一种改进的时间乘以绝对误差积分（Improved Integral Time Absolute Error, IITAE）指标函数用于MFAC的参数寻优。仿真和实验结果表明,与基于原始平衡优化器算法的MFAC相比,基于改进平衡优化器算法的MFAC的稳态误差和调整时间明显减小,系统的控制性能得到显著提高。     

纵-扭复合型压电超声电机的优化设计

研究了纵 -扭复合型压电超声电机的几个关键问题 ,包括电机的工作原理 ,压电陶瓷的极化方式及其安放位置 ,电机定子的结构形式的选择及定子的结构动力学设计问题 ,最后设计并装配了一台直径 2 0 mm的电机 ,堵转扭矩达 2 .5kg· cm,无负载转速 35r/min,并指出装配中应注意的问题。实验表明 ,要求的频率和振型达到了设计要求。     

基于等效模型的铰制孔螺栓力学设计与优化

文中在常规有限元仿真基础上,引入螺栓轴向刚度与剪切刚度,建立了包含简化螺栓模型的系统级有限元模型.通过仿真获得了螺栓的轴向载荷与剪切载荷,计算结果表明,不同螺栓的初始载荷分布严重不均衡.以螺栓轴向载荷方差最小为目标,针对螺栓布局开展优化.优化后的结果表明,螺栓最大承载降低了29.5％,螺栓强度、寿命均满足设计要求.相较...     

基于电化学阻抗谱的锂离子电池等效电路模型参数辨识方法

针对常用的等效电路模型参数辨识软件在使用时需用户多次手动调整初始参数,不利于阻抗谱车载应用的问题,提出了一种无干预的等效电路模型参数辨识方法。根据电化学阻抗谱各特征成分与等效电路模型不同电路环节相对应的规律,通过分段拟合的方法自适应地获取阻抗谱拟合的初值,进而实现了等效电路模型参数辨识。通过解析不同老化状态、荷电状态、温度下的阻抗谱,发现该方法与常用参数辨识软件的结果保持一致,从而为阻抗谱在线应用提供了基础。     

基于并联谐振匹配的超声电机阻抗特性

针对目前对超声电机及其驱动系统的阻抗特性测试均局限于单定子和低电压的现状,提出了超声电机及驱动器组成的并联等效电路整体模型,通过电学仿真得到机电系统的阻抗特性。通过傅里叶分解的方法对电机驱动电压和驱动电流信号进行处理,得到超声电机实际工作中的阻抗特性。通过仿真分析和实验可知:机电系统随着驱动频率的降低,阻抗呈单调增大的趋势,同时电机负载扭矩(小于额定扭矩)越大,系统阻抗越小;机电系统谐振匹配频率越小,系统阻抗越小,同时谐振匹配点越靠近电机共振频率,系统阻抗模随着驱动频率的减小,增大得越快。最后,通过机电系统阻抗特性提出超声电机实际工作的理想频率和驱动器的谐振匹配频率均应略大于电机共振频率的频率点。