纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机

提出一种纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机,该电机定子组件由定子圆筒和4个纵振夹心换能器组成,变幅杆和圆筒采用一整块硬铝合金加工而成。利用压电陶瓷片的纵向振动在夹心换能器中激励出纵向振动,实现两组换能器在定子圆筒上激励出2个幅值相等、在时间和空间上均相差p/2的弯振模态响应,2个弯振模态响应叠加在定子圆筒上形成弯曲振动行波,定子齿表面质点产生椭圆运动轨迹,进而通过和转子之间的摩擦耦合实现宏观运动输出。运用有限元法设计了定子圆筒和纵振夹心换能器,并实现了频率简并。测量结果表明,样机的最大转速为110 r/min,堵转力矩为0.5 N×m。     

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。     

弯振复合型螺杆式压电驱动器研究

为了提高压电驱动器的机械输出性能,便于压电驱动器振动能量的传输,研制了一种弯振复合型螺杆式压电驱动器。该驱动器由圆筒和两个弯振夹心式换能器组成,换能器由变幅杆和两组弯振压电陶瓷片组成,且变幅杆和圆筒采用一体结构。对驱动器的工作原理进行了分析,利用有限元法对换能器进行了仿真,实现了换能器两个振动模态特征频率的匹配。对驱动器的基本输出特性进行了测试,测试结果表明该驱动器的螺杆最大输出速度为0.62mm/s,最大输出力为1.8 N。     

多自由度纵弯复合模态球型超声波电动机研究

为有效提高超声波电动机的机械输出性能和改变输出形式,设计了一种纵弯复合四换能器式多自由度球型超声波电动机驱动器。该电机驱动器由两两对称的4个纵弯悬臂梁换能器和定子圆筒组成,悬臂与纵弯陶瓷片一起被固定在螺柱之上。对电机的驱动原理进行分析,利用有限元法对电机结构参数进行设计和仿真,设计出正方形电机驱动器,其总长度为136 mm,换能器长度为76 mm,定子圆筒外径为90 mm。实现电机的纵弯模态特征频率的简并值为21 080 Hz,并对电机的瞬态特性和谐响应进行分析,得出在20 945 Hz处振幅最大,质点最大位移提高50%,验证了所设计的电机的可行性和有效性。研制电机并进行试验,最大力矩为0.98 N·m,最大转速为53 r/min。     

四足直线超声电机的研究

研究了一种新型四足矩形截面梁直线超声电机,电机定子是由六块压电陶瓷片和矩形截面铜梁组成,压电陶瓷对称粘贴在铜梁的上下表面,四个驱动足分布在铜梁下表面的四个直角处.电机的工作模态分别为一阶纵振和二阶弯振,通过Ansys软件进行模态分析确定了电机定子的尺寸,设计加工样机,并对样机的机械特性进行测试和实验研究,实验证明了电机的结构设计是合理的,分析是正确的.     

夹心式柱状换能器组合结构双足超声波电动机

介绍了基于d33模式的夹心式柱状超声换能器的纵振及纵弯复合模态激励方式,分析了组合换能器在超声电机中的应用方式和驱动机理,提出了一种新型并联组合换能器结构超声电机,设计了多模态复合激励方法,从而实现了单电机双驱动足组合驱动双转子功能,丰富了超声电机的致动性能,有助于扩展超声电机的应用领域。     

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。     

一种纵弯复合型超声波电动机的设计与分析

为解决纵弯超声波电动机电路匹配和结构设计复杂的问题,介绍了一种新型纵弯复合型超声波电动机结构,该电机由4个纵弯超声换能器组成。介绍了电机的结构并且对其运行原理进行了分析,其次运用有限元法通过调整结构参数实现了超声换能器的纵弯模态简并,接着运用ANSYS对超声换能器进行了瞬态分析,得到了驱动足质点的椭圆运动轨迹。最后研制了原理样机并进行测试,测得该电机的最高转速为96 r/min,最大转矩为3.8 N·m。     

多层压电陶瓷驻波超声微电机的研究

主要研究了多层陶瓷双梁结构的超声驻波微电机。首先用有限元方法分析了该结构的振动模态，得到一适合电机运转的工作模式电机定子的固有扭转模态。定子扭转振动带动其上双梁产生弯曲振动。多层压电陶瓷产生纵向振动，从而构成纵、扭、弯复合超声电机。我们在计算的指导下设计并制作了一组微电机，电机直径３ｍｍ，定子高在４５ｍｍ之间，转子厚度为１ｍｍ，电机工作频率在５０８０ｋＨｚ，与计算结果基本符合。最后我们对电机的加工工艺，组装技术及结构设计进行了分析，指出了计算结果与实际工作状态存在差异的原因，并提出了改进的建议。     

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.     

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。     

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)。     

基于ANSYS的径向驻波型超声波电机设计与分析

研究了一种采用径向振动的驻波型超声波电机。首先分析了电机的结构,然后利用有限元分析软件ANSYS建立定子有限元模型,基于该模型分析了压电陶瓷的结构尺寸对定子振动特性的影响,进而确定了定子的结构尺寸,并进一步分析了定子的瞬态响应特性。最后根据理论分析结果试制了样机,对样机进行了试验测试,测试结果表明,所设计的电机具有较好的输出性能。     

基于ANSYS的直线超声波电动机仿真

研究了一种纵弯复合型的直线超声波电动机,介绍了其结构和工作原理,运用ANSYS 11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、谐响应分析、瞬态动力学分析和接触分析.通过仿真得到了压电振子的振型,计算了压电振子的产生纵弯复合振动的最佳频率,验证了压电振子驱动足的椭圆运动的形成,并通过接触分析证明了这种直线超声波电动机的可行性.仿真结果对纵弯复合模态的直线超声波电动机的设计具有重要的指导意义,为直线超声波电动机的制作和实验研究奠定了基础.     

三自由度圆柱定子超声波电机运动轨迹仿真

基于超声波电机中压电陶瓷的逆压电效应、定子振动、转子旋转的原理,考虑弯曲振动引起的纵向振动,应用几何原理和振动理论,对圆柱定子激励频率相同、激励电压和激励的初相位各不相同的电信号引起的各单相振动进行合成,推导了三自由度圆柱定子超声波电机在三相同时激励时定子表面质点的轨迹运动方程,并仿真出同频率、不同相位差、不同电压激励时的运动轨迹,分析了这三个因素对定子表面质点轨迹的影响,为三自由度超声波电机的轨迹控制和姿态控制奠定了理论基础。     

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。     

Design and performances of high torque ultrasonic motor for application of automobile

We propose an ultrasonic motor of high torque with a new configuration for application in automobiles. The newly designed stator is a two sided vibrator consisting of a toothed metal disk with a piezoelectric ceramic ring bonded on both faces of the disk which generates a flexural traveling wave along the circumference of disk. In this configuration, the displacement on the surface of stator may not be confined. It also produces a large vibrating force and amplitude because the vibrator is sandwiched by two piezoelectric plates. It is possible to increase the torque by improving the vibration characteristics. We used the finite element method to compute the vibration mode of the motor of diameter 48 mm. A sixth mode was chosen as the operation mode with a resonance frequency of about 73 kHz. We fabricated a prototype according to this design and measured its performance. The performance measurement of the prototype motor showed that its stall torque was about 1.8 Nm and efficiency was 37% at 60% of the maximum torque. Compared to a conventional motor which employed a single sided piezoelectric vibrator of the same outer diameter, we obtained, with this prototype, a maximum torque of about twice as great. The motor may be useful to apply as an actuator in a mobile car.     

A study on the friction and thrust force of the shaft and mobile element in the impact typed piezoelectric ultrasonic linear motor

Recently, a novel tiny piezoelectric ultrasonic linear motor driven by impact force which converts a radial mode vibration into a longitudinal one was developed for camera optical modules. This tiny piezoelectric motor consists of a shaft, mobile element and piezoelectric transducer. In this work, the frictional properties of the interface between the shaft and mobile element were investigated according to their respective materials. Five types of materials were used for the shaft, viz. stainless steel coated with DLC (Diamond like carbon) and PTFE (Polytetrafluoroethylene), uncoated stainless steel, Pyrex and Graphite. Bakelite and stainless steel (SUS) were used for the mobile elements. It was found that two combinations, namely Pyrex glass or stainless steel for the shaft and stainless steel for the mobile element, exhibited good dynamic behaviors in a tiny piezoelectric ultrasonic linear motor, which was newly developed based on operating concepts based on Newton’s law.