十字形压电振子同型模态振动驱动的平面电机

提出十字形压电振子同型模态驱动的压电平面电机新原理,选定该振子的面外弯振、面内横杆弯振、面内纵杆弯振为工作模态,利用面外弯振分别与面内纵杆弯振、面内横杆弯振的振动耦合,在纵、横杆驱动足上生成沿x Oz、y Oz面行进的椭圆轨迹以推动动子沿x、y向移动。阐明电机驱动原理,优化出振子尺寸为60 mm×60 mm×7.8mm,厘定电机最适驱动频率为30 127 Hz。建立振子机电耦合模型,研究驱动足的振动特性,模拟出驱动足的椭圆轨迹,仿真得到在250 V电压激励时驱动足的x、y、z向振幅分别为1.6μm、1.6μm和1.2μm。建立电机的整机分析模型,探析驱动电压、频率、相位差、预紧力对电机速度的影响。在正常驱动条件下,电机速度可达50 mm/s。该电机在平面装置驱动中的应用前景广泛。     

纵振换能器式圆筒型超声电机振动特性的研究

以纵振夹心换能器式圆筒型超声电机为研究对象,对换能器的振动状态进行了分析,给出了换能器弯曲振动的产生原因;研究了耦生弯振对电机机电耦合系数以及圆筒中弯振行波质量所带来的影响,耦生弯振的存在使得定子模态特征频率偏离换能器谐振频率,并使得定子圆筒中的弯振行波产生了畸变。最后,提出一种采用换能器弯振激励圆筒径向弯振的模态组合方式。     

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.     

H-结构薄板纵弯复合模态驱动的压电直线电机

为高性能压电直线电机设计奠定基础,推出基于H型振子的直线电机并利用该振子两纵向杆面内一阶纵振与二阶弯振驱动电机。研究电机的驱动机理并从理论上阐释振子纵杆驱动端质点的椭圆运动形成过程;建立振子有限元模型并对其工作模态、灵敏度、谐响应进行分析;优化振子结构尺寸,完成电机装配结构设计并制作出振子、电机实物;对振子进行模态试验,结果显示该振子不仅具有预设的工作模态,且在正常激励条件下,驱动端纵、弯振幅值分别可达1.2 μm,1.4 μm。研究表明,该电机有望产生较大速度与动力。     

纵弯复合多自由度球形超声电机的研究

摘 要：目前国内外对多自由度超声电机的研究和应用尚属探索阶段,出现了多种结构的多自由度超声电机。本文提出了一种新型单振子纵弯夹心换能器式超声电机结构,由单一驱动足产生多自由度振动轨迹,驱动球形转子作多自由度运动;对十字交叉换能器做了模态分析,对纵振和弯振做了模态简并;建立了驱动足的运动轨迹方程,并仿真分析了典型驱动方式下驱动足的振动轨迹;试验测试了样机转子绕X、Y、Z轴转动的速度与电压之间的关系和转矩与速度之间的关系,计算了相应情况下电机的最大效率;电机旋转方向与分析结果一致。
     

双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机

为了丰富平面超声电机的型式,提出一种双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机。利用双十字压电振子的纵杆面内、面外弯振耦合以及横杆面内、面外弯振耦合,分别在两杆的驱动足上合成沿xoz、yoz面行进的两相椭圆轨迹,以交替地推动动子沿x、y向移动。分析了该平面超声电机的驱动机理,并推导出两相椭圆轨迹方程。建立了双十字压电振子机电耦合模型,对其三相工作模态的振型进行仿真分析,并在结构优化的基础上实现了三相工作模态频率一致,使它们分别为43 468,43 552和43 569 Hz。仿真了双十字压电振子的频响特性并实现了干扰模态分离,当驱动电压为250 V时,驱动足x、y、z向振幅分别为1.3,0.8和0.9 μm,满足电机驱动要求。模拟得到定频激励下双十字压电振子驱动足的两相椭圆运动轨迹,验证了所设计平面超声电机驱动机理的有效性。该平面超声电机可输出较大速度与动力,具有广阔的应用前景。     

径向-扭转振动复合型超声波电机的理论与实验研究

纵扭复合型超声波电机比其他超声波电机更具低速大力矩的特点,可以直接驱动负载,适合航空航天领域的应用.不过由于纵、扭振动在定子中的传播速度不一样,其纵、扭两相谐振频率的调谐一直是个难题.提出一种新型的中空结构的径向-扭转振动复合型超声波电机,采用一对纵振压电陶瓷和一对扭振压电陶瓷的组合方式,利用了径向一阶振动模态和扭振一阶振动模态,并通过电机定子的中空结构和尺寸的调整,使径向和扭转两相基频一致.首先从理论上分析了此方案的可行性,即提出了两相调谐的方法,并对以前的模型加以改进,然后根据理论分析制作了Φ60 mm的样机,经过试验,发现其性能满足设计要求,样机的最高转速为40 r/min,堵转力矩为3.2 N·m.研制的超声波电机较其他电机具有轴向尺寸小和重量轻等特点,可以减小质量40%.     

纵弯模态复合型直线超声电机定子质心振动研究

针对纵弯模态复合型直线超声电机的质心振动问题,采用等效非线性弹簧层接触理论,建立了刚性平面接触模型和定子法向运动的动力学模型,进而解出一阶纵振模态和定子质心振动的动力学方程,得出质心振动的稳态解。根据建立的模型,分析了定子质心振动对电机机械输出性能的影响;并通过MATLAB仿真计算进一步分析了预压力弹簧刚度、预压力大小等因素对定子质心振动响应的影响。最后制作样机并开展了实验研究。实验表明模型是有效的,该研究可以为直线超声电机的动力学建模和结构优化设计提供理论依据。     

盆架型压电平面电机响应面法动力学特性优化

为解决压电电机定子在设计过程中存在的定子结构尺寸难以拟定、驱动足激励变形难以最大化以及进行多目标设计时难以求得全局最优解等问题,以盆架型压电电机定子为研究对象,在以有限元法构造定子参数化模型的基础上,利用模态置信准则(modal Assurance Criterion,MAC)进行定子工作模态的筛选与捕获,采用中心复合设计法(Central Composite Design,CCD)生成采样计算点,结合克里金法(Kriging Method)搭建相关特征结构尺寸参数的响应面优化模型,并运用多目标遗传优化算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)在基于响应面模型所得的设计空间内进行最优解的全局搜索。通过定子谐响应分析得到弯-纵振频差相对于“试凑法”所得结果下降30%,且无明显干扰模态,由此验证了优化模型的正确性。瞬态分析结果表明定子驱动足的x方向位移为6.4μm,y方向位移为5.48μm,z方向位移为6.16μm,各相位移均有明显增长。说明根据优化设计得到的定子驱动足位移更大,三相工作模态更接近,电机运行更加平稳。     

车用永磁同步电机电磁噪声分析研究

以电动汽车驱动用永磁同步电机为研究对象,从作用于电机定子表面的电磁力波和电机定子结构的动态特性两个方面对电动汽车驱动用永磁同步电机空载工况的电磁噪声展开研究.通过研究永磁同步电机产生电磁力波的机理,推导了空载工况电磁力波的解析分析方法,结合电磁仿真的手段,精确计算了电机在空载工况下电磁力波的波次、频率和幅值;通过建立电机定子结构的有限元仿真模型及有限元模态仿真计算,得到了定子结构的模态频率和振型.发现：电机定子结构的前6阶模态频率较低,电机空载工况在调速过程中所激发的电磁力容易引起电机定子结构的共振.该研究为电动汽车驱动用永磁同步电机的减振降噪提供了指导.     

新型纵扭压电电机接触模型研究

提出一种新型贴片式纵扭压电电机,包含定子,转子和预压力系统等。电机定子经过特殊的开槽处理形成多振子结构,振子由金属基体和粘贴在其外表面的压电陶瓷构成,益于简化电机结构。通过合理的参数调整,使定子的一阶纵振模态和二阶扭转模态频率尽可能相同,并且振子均工作在共振状态,提高了电机效率。为评估设计电机的整体性能,建立了定子和转子的有限元接触模型,并对电机的接触特性进行分析研究。通过接触静态和瞬态求解,得到空载情况下接触区的压力分布、接触状态及滑动距离等参数,同时得到电机的转速变化曲线和输出性能等。分析结果表明该纵扭电机为多面接触,接触压力不存在局部高度集中的情况,且接触区域存在滑动。最后,根据设计的电机参数,加工原理样机,对理论分析进行实验验证。     

双足驱动双压电晶片直线超声波电机运行机理研究

研究新型直线超声波电机运行机理,采用双压电晶片及双足驱动结构,具有结构简单、无需频率简并、易于小型化等优点。详述其结构、振形特点及工作机理。建立电机定子振动响应有限元模型,给出输入阻抗计算方法。用已建模型计算获得定子驱动足接触点在谐振频率点附近振幅,推导驱动足接触点运动轨迹。通过实测定子阻抗特性将所得结果与理论分析进行比较。     

一种用于光学模组变焦的新型螺纹压电电机

基于课题组早期研究的转速可达10000r/min,响应时间小于1ms的棒板结合式压电电机的启发,设计并制备了一种扩展结构的用于光学模组变焦的螺纹压电驱动器,它同时具备响应时间短的特点.本压电驱动器采用筒板结合式的定子结构,在B11工作模态下通过定子圆筒内螺纹将运动传递给转子,单层压电陶瓷粘贴在定子板上驱动电机运转.本研究利用有限元法分析了电机定子的工作模态和谐响应,利用红外多普勒激光测振仪测量了电机在不同频率下定子的微观振动,实验验证了理论预测并证明了这种结构简单紧密的压电驱动器的可行性.电机运行实验验证了该电机具有响应时间短、电机转速合适、定位精确等优点,适合用于光学调焦领域.     

电机定子振动模态频率分裂特性分析

有效抑制由电机径向电磁力激发的电机定子振动是实现电机减振降噪的一个重要途径,而对电机定子模态频率及模态振型的准确分析是抑制电机定子径向振动的基础。采用圆环的弹性力学解析模型作为电机定子振动的分析模型,对无约束状态下电机定子的模态进行分析,得到了电机定子径向振动模态频率和模态振型的解析解。以齿槽和底脚为典型附加结构,采用摄动法对电机定子模态频率的分裂现象进行分析,总结了频率分裂与否以及分裂阶次的判定准则。通过ANSYS有限元软件验证了理论方法和计算的有效性。结果表明,所建立的二维圆环模型可以准确、高效地应用于电机定子模态特性的分析;附加结构的分布形式对定子频率分裂特性具有重要的影响。     

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。     

新型多自由度圆环形驻波超声电机

提出了一款新型多自由度圆环形驻波超声电机,该电机由一个球形转子和圆环形定子构成,利用二阶面内振动模态工作,可以实现三个方向的旋转运动。文中详细分析了该电机的运动机理,并根据有限元设计结果,研制了一台原理型样机。样机定子的外形尺寸为25.7mm×25.6mm×5mm,驱动频率为26.76kHz,绕三个方向的转速分别为：12r/min、10 r/min、12r/min。该款电机具有体积小、结构简单紧凑、无需考虑复合模态多自由度电机不同工作模态频率一致性的问题等特点,有望用于小型机器人、机器人眼球、机器手、机构姿态调节等驱动上。     

新型箝位式压电电机的设计研究

针对传统箝位式压电电机在谐振态下工作时,方波振动的箝位部分结构设计复杂问题,提出一种新型箝位式压电电机。该电机箝位部分与驱动部分均由同频正弦电压驱动实现正弦振动,通过定子对动子的箝位接触,实现动子单向输出运动。相较于传统箝位式压电电机和超声电机,该电机的定子结构设计无需采用模态简并,结构设计难度降低。利用有限元仿真确定定、动子结构参数,制造样机并搭建实验平台。对箝位部分分别采用正弦波与方波做激励,再对驱动部分进行波形对比,表明正弦波亦能达到预期效果。实验结果表明:准静态时,激励电压频率为250Hz、电压峰峰值Vp-p为10V时,步进距离为0.5μm,步进速度0.13mm/s;谐振态时,激励电压频率为540Hz、电压峰峰值Vp-p为70V时,步进距离为32μm,步进速度16.9mm/s;该电机可兼顾低频高分辨率和高频高速输出以实现跨尺度工作。     

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。     

超声电机定子的有限元分析及其模态混叠现象

通过有限元模态分析和基于逆压电效应的激振响应分析,发现了超声电机定子的模态混叠现象,以及模态混叠现象在激振响应中的表现形式,指出要避免模态混叠的发生,超声电机的结构尺寸必须进行合理的设计,其工作频段也必须合理选择.     

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。