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。     

纵弯复合两自由度直线超声波电动机

介绍了一种一阶纵振模态与二阶弯振模态复合的两自由度直线超声波电动机的结构组成和工作原理,用有限元方法对电机的定子进行了结构动力学设计,并制作了电机样机。对电机定子的工作模态和电机的输出性能进行了测试。实验表明:定子的工作模态与理论设计结果相符,并较好地满足了设计要求;电机的输出速度和推力得到了大幅度提高,从而证明所提出的设计思路是合理、可行的。     

双翼形直线超声波电动机

提出一款双翼形直线超声波电动机。电机定子为一个带双翼的空心圆柱结构,其利用双翼弯曲振动致使空心圆柱上下、左右摆动的两个振动模态工作,驱动动子旋转直线运动。推导了电机定子驱动质点的运动轨迹方程,研究了电机定子驱动动子运动的工作机理。利用有限元法进行分析计算,对定子驱动质点的运动轨迹进行了仿真,验证了电机运动机理分析的正确性。制作了双翼形直线超声波电动机原理样机,并进行性能测试,试验表明电机的工作频域范围较宽,在激励电压峰峰值为250 V时,电机的空载速度为1.55 mm/s,最大输出力为0.106N,是定子质量的11.7倍。     

一种基于压电叠堆的微型直线超声波电动机研究

对已有的直线超声波电动机进行改进,研究了一种新的微型直线超声波电动机,采用了压电叠堆,具有低驱动电压、结构简单、装配方便的特点。压电叠堆通过自主设计完成。电机定子使用对称和反对称模态作为工作模态,在ANSYS软件中使用有限元方法分析了电机定子的对称和反对称2种模态频率对其结构参数的灵敏度,并对其进行调整,以使得定子的对称和反对称模态频率保持一致。对电机定子进行了模态测试,实验结果与理论分析基本一致。对样机进行了性能实验,当实验条件为激励电压15 V、频率38 k Hz时,样机的无负载最大速度为30 mm/s,最大推力为2.2 N。通过微型化改进,电机定子最大推重比从97 N/kg增加到157 N/kg。     

中空柱状定子二阶弯振的旋转-直线超声电机

为了提高贴片式旋转-直线超声电机压电片的利用效率,简化电机使用过程中的安装与固定,提出了一种新颖的贴片式旋转-直线超声电机。样机主要利用自由约束柱状定子空间上相互正交的二阶弯曲振动模态耦合,在定子自由端的内表面合成一个驱动行波,通过螺纹传动实现输出轴的旋转-直线运动输出。基于有限元法对定子的振动模态以及压电片的激振模式进行了仿真分析,研制出一台定子采用中空方柱型结构的原型样机。搭建了一套基于虚拟仪器技术的超声电机测试系统,完成了样机基本输出特性的测试。测试结果表明样机工作频率为38.90 kHz,驱动电压峰峰值20 V时即可实现样机的有效驱动。     

行波型超声波电机及其控制平台

对行波型超声波电机及其控制进行总结和研究,据此设计制作了样机。为了进一步对影响超声电机运行特性的几个因素进行研究,搭建了基于虚拟仪器的超声波电机的控制平台。在该控制平台上,对样机的性能进行测试和分析,最后分析了电机定子中不同厚度压电陶瓷片对电机性能的影响以及影响电机运行特性的几个参数。     

三圆柱定子纵-弯复合模式超声波电机的研制与实验

该文研究了三圆柱定子纵-弯复合模式超声波电机的驱动机理,设计制作了三圆柱定子纵-弯模式的新型结构电机,并进行了实验测试。实验结果表明,该类型电机不但结构简单紧凑,而且具有良好的输出性能,如反应速度快、控制特性好,低速大转矩等,设计达到了预期目标。     

基于压电驱动的螺纹式直线电机

提出一种基于压电驱动的螺纹式直线电机。电机由弹性体振子、圆筒、精密螺母和螺杆等构成,结构简单紧凑。电机定子由两只兰杰文振子激励,在圆筒内表面形成周向行波,驱动与螺母啮合的精密螺杆转动,从而实现螺杆的轴向直线运动。通过分析螺纹电机的驱动机理,推导定子圆筒表面质点运动轨迹的椭圆方程,建立了定子的有限元模型,并对定子结构进行了模态分析。根据分析结果,设计制作了样机,并搭建了试验装置,对其输出性能进行了测试,验证了所提方案的可行性。     

车用液冷机壳电机定子绕组热性能直接设计法

电动汽车驱动电机极力追求高密度轻量小型化,不断推进电机的冷却散热与热传导技术的进步与发展。为此,开展车用驱动电机的电-磁-热一体化设计方法研究,通过构建一种工程化定子热路模型提出了定子绕组热性能直接设计法及其关键热参数,并直接融入电磁设计中,强化热性能设计的同时也弥补了传统电磁设计热负荷AJ值评估热性能的缺陷。通过快速评估电机的热传导能力和绕组温升,可评估比较不同设计方案的热性能,得到电-磁-热一体化设计的最佳解决方案,从而提升电机持续运行的输出转矩。采用定子绕组热性能直接设计法,改进设计了一台液冷机壳车用永磁同步驱动电机样机,显著降低了定子绕组温升。样机温升试验验证了定子绕组热性能直接设计法及其关键热参数评估热性能的有效性。     

行波型超声波电机定子的对比实验研究

根据定性分析超声波电机设计所涉及的材料、结构和尺寸等问题,设计了不同结构参数的定子.利用有限元法建立了带齿的行波型超声波电机定子的模型,并进行定子的振动模态分析和共振频率的计算.通过实验测试超声波电机的输出特性,分析了不同结构参数的定子对超声波电机输出特性的影响.最后,通过分析结果和实验结果的比较,对超声波电机弹性体厚度与压电陶瓷厚度的比值范围提出了一定看法.     

圆柱定子3自由度球转子超声波电机驱动控制技术的研究

驱动控制电源的设计和制作直接决定了超声波电机的输出性能，国内超声波电机产业化空白的最主要原因之一是驱动控制手段的落后。该文从原理上提出了3自由度超声波电机驱动控制电源的要求，以自行设计的圆柱定子3自由度球转子超声波电机为驱动控制对象，设计并实现了3种可用于3自由度驱动控制的电源。一种基于高频开关电源技术设计，适用于一般的控制，第二种对两相驱动控制电源的改进设计，适用于实验室调试，性价比较高，另一种是基于DSP技术的驱动控制电源，适用于超声波电机的产业化制造。实验证明，3种驱动控制电源适用于任意一种结构的3自由度超声波电机的驱动控制，并通过对电机输出性能的测试，验证了3种驱动控制电源的可行性和正确性，为提高3自由度超声波电机的能量转换效率和进一步增大电机的输出性能奠定了必要的技术和理论基础。     

薄型超声电机两相及单相激励时的工作机理分析与实验研究

该文对环状超声电机定子中的行波的特征进行了分析，探讨了行波状态下电机定子端面质点椭圆运动轨迹与矩形板表面质点椭圆运动轨迹之间的差异。指出了圆环定子内圆周侧面中的部分区域具有对电机转子的推动作用。据此设计了一种可实现电机薄型化的新结构，并制作了样机，完成了电机定子性能测试和电机运行实验。运行实验结果表明，样机运转平稳，具有较大的输出转矩。实验中还发现，电机在只输入单相交变电压时仍能实现正常运转，分析了这一现象产生的机理。依据上述机理。可以设计一种新型驻波超声电机。     

单相p型电机驱动机理及其结构设计

双相压电直线超声电机对驱动频率一致性要求高,给应用带来不便。单相驱动是解决上述问题的一种途径,单相驱动的直线超声电机设计要点是满足双向运动的驱动机理以及提高输出性能的结构设计。设计了一种新型的驱动足偏置的单相驱动双向运行的直线超声电机,功率传递路径短,推重比大。为研究电机驱动机理,建立了定子的有限元模型并对其工作模态、驱动足轨迹进行了分析;采用Ansys有限元对定子结构进行了优化设计并制作了原理样机进行了测试。测试结果表明,电机的双向运行性能良好,推重比大,有利于微型化。     

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。     

二自由度行波型超声波电机定子的优化研究

本文从二自由度行波型超声波电机的驱动机理和基本结构出发,对定子结构进行了分析和介绍,利用所建立的有限元模型进行定子振动的模态分析。然后以电机定子表面点的振幅最大化为优化条件,对定子的结构进行优化。接着用ANSYS软件对定子进行不同倾角下的模态分析,得到定子谐振频率和倾角的关系。最后结合所设计的定子使用激光测振系统进行测试,用于确定最佳的定子倾角。测试结果表明,优化的定子使得定子表面点的振幅较大。     

基于压电驱动的精密步进旋转电机

为了保证微小型电机的速度和承载能力,同时获得较高的运转分辨率,提出一种以压电叠堆为驱动元件基于尺蠖运动原理的新型精密旋转电机方案。电机结构中转子无绕线结构,定子采用柔性铰链双侧对钳方式交替对转子起到钳位作用。对电机工作原理进行了分析研究,采用MSC Patran/Nastran有限元软件对机械结构进行了仿真分析,并对所开发的电机样机进行了实验测试。测试结果与理论分析结果基本相符,所开发样机的旋转速度可达3308．6μrad/s、输出扭矩为0．294N·m、单步最小转角(旋转分辨率)为 0．206μrad。电机性能稳定可靠,可望在光学工程、精密工程等相关领域得到应用。     

串联磁路结构双定子混合式直接驱动电动机的转矩特性

该文提出一种串联磁路结构双定子混合式直接驱动电动机方案。在分析该电机磁路特点的基础上，建立了三相串联磁路结构双定子混合式直接驱动电动机的简化磁网络模型，通过线性解析，定量分析了该电机的电磁转矩特性。并对样机进行了实验测试，实验结果表明，混合式变磁阻电动机采用串联磁路双定子结构，可以大大提高电机的输出转矩，证明了该结构电机具有较高的性能体积比。通过合理设计电机的电磁参数及结构参数，不但可以提高电机的输出转矩，而且可以降低电机的转动惯量，提高驱动系统的响应特性。     

电动汽车用外转子轮毂电机的设计研究

针对应用于电动汽车智能车轮的轮毂系统,开发设计出新一代一体化轮毂电机。根据设计需求给出了外转子轮毂电机的总体设计方案,对其主要尺寸以及整体电磁结构进行分析计算。采用Ansoft软件对磁化方向长度、极弧系数、气隙长度以及定子叠高等影响因素进行分析研究,以提高电机的输出性能。最后对样机进行了计算和试验测试,设计结果与实验结果相符,表明了设计分析的正确性。     

径向驻波型超声波电机接触摩擦特性建模与分析

超声波电机的接触摩擦模型对电机输出性能优化、控制电路设计具有重要的作用。现有对超声波电机接触摩擦模型的研究,大多基于库伦摩擦模型,其计算结果的精度有待进一步提高。该文基于Dahl摩擦模型对一种径向驻波型超声波电机的接触摩擦特性进行建模和分析。首先介绍电机的结构,然后分析定子的振动、定转子间的接触摩擦以及转子的旋转运动,考虑定子振动的瞬态响应过程,基于Dahl摩擦模型建立径向驻波型超声波电机定转子接触摩擦传动模型。利用所建立的模型,研究接触界面的摩擦力、不同负载下电机的速度响应情况以及电机的转矩-转速特性。最后测试样机的转矩-转速特性,将理论计算值与实验值进行对比,二者基本吻合,证明所建立模型的有效性。此外,该文也对基于库伦摩擦模型的计算值进行对比分析,结果表明:相比于库伦摩擦模型的计算值,基于Dahl摩擦模型的计算值具有更高的精度。     

双定子永磁同步电动机的结构设计

根据传统稀土永磁同步电动机的结构特点,设计出一种双定子结构永磁同步电动机,讨论了体积不变的条件下电机的输出转矩,探求利用该电机的结构特点抑制力矩波动的方法。对样机进行了实验测试,并得出相应结论。