行波型杆式超声电机定子的参数化有限元法优化设计

摘要：利用参数化有限元优化方法,对行波型杆式超声电机定子进行优化设计。首先,在确定电机定子初始结构的基础上,建立其参数化有限元模型。其次,对定子有限元模型进行模态分析,求解工作模态频率对各结构参数的灵敏度,选取灵敏度高的结构参数为设计变量,并以反映电机输出性能的重要参数作为目标函数。同时,设计了定子结构的优化方案,采用了零阶优化方法,对其结构进行优化设计。最后,根据优化结果,制作了定子样机。试验表明：定子工作模态和端面质点的振幅都满足了预期的设计要求,试验结果与优化设计结果相符。研究表明,利用该优化设计方法能有效地缩短超声电机设计周期。     

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.     

基于弯曲模态的板形直线超声电机结构设计

板形直线超声电机因具有扁平化结构等特点,特别适用于电机安置空间狭窄的直线驱动场合。针对狭窄空间作动需求,提出一种单模态、大推力直线超声电机。电机由导轨和板形定子组成,定子由平面内两个垂直放置的矩形板联接构成L形结构,驱动足位于联接部顶端。电机利用两矩形板弯曲振动所形成的对称和反对称模态驱动导轨运动,并通过切换对称和反对称模态实现导轨正反向运动。通过定子模态分析,研究结构参数对振型的影响,以确定夹持和压电陶瓷片的安置位置;针对对称模态下驱动足处振幅过小问题,分析前端盖开槽对驱动足处振幅的影响规律,并通过开圆弧形槽增加驱动足处振幅。制作样机,并开展实验研究。实验表明:该电机结构简单紧凑、运行稳定且推力大,最大空载速度为329 mm/s,最大推力为70 N,推重比达38. 2。     

双足型直线超声电机的结构及实验

研制了一种新型直线超声电机，首先对其驱动机理进行探讨，设计电机的具体结构，其次对定子进行频率响应实验，模态实验，实验显示电机可有效激励出所需振型，正反向运动灵活，电机的工作频率42550Hz；最大无负载速度可达76mm／s，最大输出推力2N。     

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。     

新型方尖塔形定子二自由度超声电机的结构设计、驱动机理与性能研究

提出了一种新型二自由度超声电机结构及工作原理。该电机具有一个方尖塔形定子和一个具有凹球面的基座,定子由预压力弹簧压在基座的凹球面上。利用定子局部弯曲振动作为工作模态,使得该型电机易于小型化。有限元仿真观察到了定子驱动端的椭圆运动,作用于球面基座可驱动定子运动。原理样机性能为: x 方向最大速度145mm/s, y 方向最大速度180mm/s, x 方向最大推力4.3N,y方向最大推力5.0N。     

二自由度行波型超声波电机定子的数学模型与实验研究

二自由度行波型超声波电机是一种新型多自由度超声波电机。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,就电机的结构实现、驱动球转子的最佳定子结构进行了分析,利用所建立的有限元模型进行定子振动的模态分析和共振频率计算,提出了外缘大倾角内缘线接触的行波定子。然后建立定子的接触模型,对其机械性能进行分析。测试结果表明,修正的数学模型更加符合电机的实际运行特性。所研制样机的球转子直径为45mm,定子直径为30mm,实现的堵转力矩为120mNm,空转转速12r/min。本文工作为多自由度行波型超声波电机的优化设计、性能提高奠定了基础。     

塔形超声电机的突变结构弹性支撑

超声电机支撑结构影响其机械性能和稳定性。刚性支撑对振动的阻尼作用明显,能量损失较大;基于柔性隔振的弹性支撑则存在结构局限性或柔性过大的缺点。为此,本文将结构突变的刚性隔振和柔性隔振方法相结合,提出适用于超声电机的突变结构弹性支撑的设计思想。针对塔形超声电机的结构和工作模态的特点,在自由和夹持边界条件下,对三种突变结构弹性支撑进行设计与仿真,最后确定采用“内厚基座十字形薄板支撑结构”作为塔形超声电机的支撑。实验证明,采用所设计的突变结构弹性支撑,具有很好的支撑和隔振效果,塔形超声电机运行稳定,最大空载速度为980 mm/s,最大输出力为1N。     

面向介观尺度制造的螺杆型压电作动器

提出一种可应用于介观尺度零件精密加工进给的螺杆型直线压电作动器,该作动器定子与转子通过精密螺旋副相啮合.首先,建立了该直线压电作动器定子的有限元计算模型;然后,运用ANSYS软件进行了模态分析和谐响应分析,讨论了结构参数对定子谐振频率及振幅的影响,得出了一般规律;最后,根据定子优化设计结果制作了实验样机和专用驱动电源.实验结果表明:该作动器具有较好的输出性能,在电压峰峰值为300 V、驱动频率为16kHz的情况下,其最大空载速度为24 mm/s,最大输出力为6 N,基本可以满足介观尺度对象车铣复合加工对于驱动力和进给速度的要求.     

利用弯曲模态的惯性直线超声电机结构设计

针对惯性直线超声电机输出力小、结构不稳定的问题,通过改进其结构的振动方式,提高其输出力和结构稳定性。提出了一种新的结构惯性直线超声电机,该电机采用矩形板结构,利用其弯曲振动;分析该电机的工作原理,并利用了ANSYS workbench对定子的结构振动仿真分析,设计和制作了惯性直线超声电机。样机的实验表明:它有较宽的工作频率,运行稳定;在工作频率为23.6 k Hz时,最大运行速度为197 mm/s;在工作频率为23.2 k Hz时,最大推力为7.3N,惯性直线超声电机的驱动方向会在某一频率点突变。