基于面內(nèi)彎縱復合模態(tài)的直線超聲電機研究.pdf

1、超聲電動機是近三十多年來發(fā)展起來的一種全新概念的驅(qū)動裝置。與傳統(tǒng)電磁電機相比，超聲電機具有結構簡單、能量密度大、啟停靈敏、位置分辨率高、斷電自鎖、低振動、低噪聲、無電磁干擾等特點。所以它在航天器、微小型機械、精密儀器、小功率驅(qū)動等方面的應用具有明顯的優(yōu)越性。直線超聲電機是超聲電機的一個分支，它通過定子和滑塊（或者動子）之間的摩擦耦合輸出直線運動和推力。由于其結構簡單，可以直接輸出直線運動，不需要運動轉(zhuǎn)換機構，所以除了具有旋轉(zhuǎn)型超聲電機的

2、一般特點外，直線超聲電機的定位精度和速度控制精度更高，可達納米級精度。
　　本文提出了一種新型面內(nèi)彎縱型直線超聲電機。該電機的定子由一塊青銅矩形板和八片壓電陶瓷片組成，電機利用矩形板的面內(nèi)二階彎曲振動和一階縱向振動的復合模態(tài)來工作。由于矩形板的寬度遠小于厚度，其面內(nèi)彎曲振動難以被激發(fā)，所以，本研究中，在青銅矩形板的適當位置開設了若干長條形孔來解決這個問題，并利用瑞利-里茲法確定了長條形孔的最佳長度尺寸。在電壓信號的激勵下，壓電陶瓷

3、片產(chǎn)生超聲頻率的伸縮振動，并激發(fā)出矩形板定子的面內(nèi)彎縱復合模態(tài)，使矩形金屬板產(chǎn)生共振，并使矩形板上的驅(qū)動足產(chǎn)生橢圓運動。通過摩擦耦合將驅(qū)動足的橢圓運動變成電機滑塊的直線運動，從而實現(xiàn)直線電機的動力輸出。
　　分析了壓電材料的逆壓電效應，從矩形板定子面內(nèi)二階彎曲振動和一階縱向振動的振動方程出發(fā)，建立了矩形板定子的機電耦合動力學模型，計算了壓電陶瓷片對定子所施加的面內(nèi)二階彎曲振動和一階縱向振動的模態(tài)力，給出了若干壓電陶瓷片的合理安裝位

4、置，解釋了定子驅(qū)動足橢圓運動的形成機理。
　　應用有限元分析軟件建立了面內(nèi)彎縱型直線電機定子的有限元模型，對電機定子進行全面的仿真分析，包括模態(tài)分析、諧響應分析、瞬態(tài)動力學分析和接觸分析。通過仿真，得到了定子的振型，優(yōu)化了電機的結構尺寸，計算了定子產(chǎn)生面內(nèi)縱彎復合振動時的最佳頻率，驗證了定子驅(qū)動足的橢圓運動的形成機理，比較了矩形板開孔前后定子的振幅、頻率等變化，并通過接觸分析證明了這種直線超聲電機設計方案的可行性。
　　課題

5、對彎縱型直線超聲電機進行驅(qū)動和摩擦分析，從定子驅(qū)動足質(zhì)點的橢圓運動研究入手，以新的視角分析了驅(qū)動足質(zhì)點的橢圓運動對動子運動的驅(qū)動和阻礙機理，提出了定子質(zhì)心位置和定子兩端的作用力隨著定子的振動而變化的觀點。在此基礎上，分析了定子和動子摩擦界面間的粘、滑摩擦機理，指出驅(qū)動足對動子的驅(qū)動方式為跳躍式驅(qū)動，且定子驅(qū)動足相對于動子適當?shù)摹疤S”有利于電機的動力輸出，還指出定子驅(qū)動足的“跳躍”高度取決于預壓彈簧剛度、動子摩擦層的剛度、電機預壓力、驅(qū)