雙振子駐波直線超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)與建模.pdf

1、駐波直線超聲電機(jī)是最具代表性的直線超聲電機(jī)，它在航天、醫(yī)療、精密儀器儀表、機(jī)器人等領(lǐng)域中顯示了廣闊的應(yīng)用前景，得到了越來越廣泛的關(guān)注。目前的駐波直線電機(jī)雖然外形多種多樣，但其最基本的工作原理仍較單一，且在電機(jī)的整機(jī)建模上一直進(jìn)展緩慢，不利于其研究的進(jìn)一步發(fā)展。本文提出了一種新原理的駐波直線超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)加工了樣機(jī)，并建立了該電機(jī)的整機(jī)動(dòng)力學(xué)模型和整機(jī)熱力學(xué)模型。本文主要的研究?jī)?nèi)容和成果綜述如下：
　　1.簡(jiǎn)要地介紹了直線

2、超聲電機(jī)的發(fā)展歷史，并重點(diǎn)介紹了駐波直線超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論建模的研究現(xiàn)狀。針對(duì)駐波直線超聲電機(jī)研究的不足之處，明確了本課題的研究目標(biāo)。
　　2.提出了雙振子駐波直線超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)方法。該方法的主要?jiǎng)?chuàng)新在于：將傳統(tǒng)駐波直線超聲電機(jī)定子的復(fù)雜耦合模態(tài)振動(dòng)解耦成兩個(gè)簡(jiǎn)單的獨(dú)立模態(tài)振動(dòng)，并分別交由一個(gè)單模態(tài)振子來實(shí)現(xiàn)。由于兩振子是獨(dú)立設(shè)計(jì)的，因此可對(duì)它們的結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行調(diào)整，使電機(jī)兩項(xiàng)模態(tài)頻率一致。因此，該設(shè)計(jì)方法可簡(jiǎn)化直線超聲電機(jī)的設(shè)

3、計(jì)。根據(jù)該方法，設(shè)計(jì)加工了一個(gè)基于桿結(jié)構(gòu)的雙振子型駐波直線超聲電機(jī)。在100Vp的電壓激勵(lì)下，樣機(jī)最大推力、速度、功率分別達(dá)到了47N，0.43m/s和7.85W。
　　3.探討了兩振子的固有頻率差對(duì)電機(jī)輸出性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，控制該電機(jī)兩振子在自由邊界條件下的固有頻率，電機(jī)的輸出性能得到了改善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)該樣機(jī)而言，當(dāng)自由邊界條件下定子的二階縱振固有頻率高于動(dòng)子一階縱振固有頻率73 Hz時(shí)，樣機(jī)最

4、大推力、速度和功率分別達(dá)到了64.2 N，0.76 m/s和17.4 W；最大推重比達(dá)到23.7，最大效率達(dá)到39.6％。
　　4.建立了該雙振子駐波直線超聲電機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型。該動(dòng)力學(xué)模型主要包括：定子與動(dòng)子的接觸模型、定子的振動(dòng)模型、動(dòng)子的振動(dòng)模型和定子與動(dòng)子間摩擦傳動(dòng)模型。利用該動(dòng)力學(xué)模型可以得到定子和動(dòng)子的模態(tài)特性、振動(dòng)響應(yīng)、以及電機(jī)直線運(yùn)動(dòng)的位移、速度與時(shí)間的關(guān)系等。在建模過程中，考慮了定子與動(dòng)子接觸的非線性因素。

5、　　5.基于動(dòng)力學(xué)模型，利用MATLAB編程，進(jìn)行了振子模態(tài)特性、電機(jī)輸出特性和電機(jī)瞬態(tài)特性的仿真，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。在仿真的基礎(chǔ)上，（1）提出一種電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)算法，編寫了程序并設(shè)計(jì)了人機(jī)交互界面，該程序快速準(zhǔn)確，方便該型電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）提出一種提高電機(jī)輸出性能和效率的方法，該方法通過實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。
　　6.分析總結(jié)了該電機(jī)運(yùn)行中溫度上升的原因，詳細(xì)計(jì)算了導(dǎo)致電機(jī)溫度上升的損耗。在計(jì)算的結(jié)果上，利用ANSYS對(duì)該電機(jī)