行波型超聲波電機的模型仿真與試驗研究.pdf

1、超聲波電機(Ultrasonic Motor，簡稱USM)是一種全新概念的電機，它突破了傳統(tǒng)電磁感應(yīng)電機的概念，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)以及電機定子和轉(zhuǎn)子的摩擦耦合來進行電能與機械能間的能量轉(zhuǎn)換。超聲波電機的發(fā)展歷史較短，涉及到多個學(xué)科，有關(guān)超聲波電機運行機理的更深層次研究還處在探索和不斷完善的階段，因此需要在學(xué)術(shù)研究和工業(yè)應(yīng)用中做更多的工作。 論文圍繞超聲波電機特別是行波型超聲波電機進行模型仿真，采用三種分析方法對其不同特性進

2、行研究，并對這些電機運行性能進行了測試。論文最后還介紹了兩種新結(jié)構(gòu)電機的設(shè)計。 論文共分8章。第1章主要介紹了超聲波電機的發(fā)展歷史、特點、分類、應(yīng)用以及研究現(xiàn)狀，并結(jié)合國內(nèi)外超聲波電機技術(shù)的發(fā)展趨勢，闡述了本論文的研究意義和研究內(nèi)容。第2章，首先介紹了行波型超聲波電機中壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，然后將電機定子等效成一個圓環(huán)形薄板，分析了電機定子的橫向彎曲固有振動，并給出兩種行波型超聲波電機的工作模態(tài)的振型。最后，根據(jù)振動分析結(jié)果，簡

3、要分析了電機定子表面運動以及定子和轉(zhuǎn)子間的接觸情況。在第3章中，作者利用有限元分析方法對行波型超聲波電機進行仿真，并介紹了行波型超聲波電機定子的模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析以及阻抗特性分析，對直徑為60mm和100mm的電機定子進行了仿真計算，并利用有限元方法對100mm電機的定子支撐進行了優(yōu)化。本章的最后介紹了電機轉(zhuǎn)子的有限元分析：包括轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析、靜力學(xué)分析以及接觸分析，在此基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化。第4章中對直徑為60mm的行波型超聲

4、波電機的定子和轉(zhuǎn)子的接觸模型進行研究，將電機定子等效成一個復(fù)合梁，分析定子表面的質(zhì)點運行規(guī)律，并且研究考慮齒的放大作用時的定子和轉(zhuǎn)子間接觸情況。最后將接觸模型與轉(zhuǎn)子運行方程結(jié)合，建立了基于二維線性接觸的仿真模型，并用于實際電機。在第5章中，作者通過對電機定子振型的假設(shè)，利用Hamilton能量變分原理，建立了完整的行波型超聲波電機動力學(xué)仿真模型。根據(jù)實際電機參數(shù)，計算出電機仿真模型的參數(shù)，利用Matlab對電機的動力學(xué)仿真模型進行了求解

5、，給出了仿真得到的行波型超聲波電機的起動過程，并分析了預(yù)壓力和驅(qū)動頻率對電機性能的影響。第6章主要介紹了電機的輸入阻抗、起動過程以及運行特性的測試方法，并利用這些方法對實際電饑進行了測試，將測試結(jié)果與前面各章內(nèi)仿真計算得到的結(jié)果進行比較。最后設(shè)計實驗，測試了電機在不同預(yù)壓力下的工作特性以及電機的微步進運行。在第7章中，作者介紹了圓柱定子三自由度超聲波電機和基于薄板面內(nèi)振動的直線型超聲波電機的設(shè)計，并對三自由度超聲波電機結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，提