縱彎復(fù)合平面超聲電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)的研究.pdf

1、超聲電機(jī)(Ultrasonic Motor，簡稱 USM)是近三十年來發(fā)展起來的一種新型壓電驅(qū)動器。它利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化成超聲頻微觀振動，進(jìn)一步通過定子將微觀機(jī)械振動共振放大、疊加，然后摩擦驅(qū)動轉(zhuǎn)子(或動子)宏觀轉(zhuǎn)動(或直線運動)。同傳統(tǒng)式電磁電機(jī)相比，超聲電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計靈活、大力矩度大、低速、響應(yīng)速度快、定位精度高、斷電自鎖和無電磁干擾等特點，所以在航空航天、光學(xué)儀器、機(jī)器人、半導(dǎo)體制造、醫(yī)療器械、辦公自動化和

2、汽車等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。目前實際應(yīng)用的超聲電機(jī)多是單自由度旋轉(zhuǎn)或直線超聲電機(jī)，對多自由度超聲電機(jī)的研究尚屬探索性階段。本文研制了一種新型平面多自由度超聲電機(jī)及其電學(xué)匹配和驅(qū)動系統(tǒng)。
　　本文提出了一種新型縱彎復(fù)合模態(tài)平面多自由度超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)，分析了其驅(qū)動機(jī)理。它以十字正交聚能器作為驅(qū)動器，由同一頻率下的兩路縱振和一路彎振在單一驅(qū)動足上疊加，使驅(qū)動足產(chǎn)生所需要的驅(qū)動軌跡，能夠驅(qū)動電機(jī)在xOy平面內(nèi)沿任意方向直線運動。以驅(qū)動足作為

3、研究對象，建立了多自由度剛體驅(qū)動軌跡解析模型，分析了其在xOy平面各方向上產(chǎn)生直線驅(qū)動的輸入方式。
　　對驅(qū)動器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了綜合分析，得到各結(jié)構(gòu)參數(shù)對縱振和彎振特征頻率的影響趨勢，進(jìn)行縱彎模態(tài)特征頻率簡并。采用有限元分析方法，在剛體驅(qū)動足驅(qū)動軌跡解析模型指導(dǎo)下，針對硬鋁材質(zhì)的驅(qū)動足進(jìn)行振動形態(tài)仿真。在驅(qū)動足的驅(qū)動表面取八個質(zhì)點，建立了典型驅(qū)動方式下八個驅(qū)動質(zhì)點的軌跡圖譜，分析各種驅(qū)動情況下，驅(qū)動效果的一致性。
　　研制了一

4、種單驅(qū)動足縱彎復(fù)合模態(tài)換能器驅(qū)動的多自由度平面超聲電機(jī)樣機(jī)。對換能器進(jìn)行了阻抗檢測和振動檢測，對樣機(jī)進(jìn)行了實驗研究和測試，驗證了縱彎復(fù)合模態(tài)平面超聲電機(jī)理論分析與仿真研究的正確。實測電機(jī)最大速度達(dá)960mm/s、最大推力達(dá)100N。
　　提出了超聲電機(jī)諧振頻率分離式電學(xué)匹配方法。以開關(guān)電源驅(qū)動的超聲電機(jī)為了避免激發(fā)出電機(jī)的非工作模態(tài)振動，需要串聯(lián)電感濾除高次諧波。串聯(lián)電感又會與電學(xué)上容性的超聲電機(jī)產(chǎn)生諧振影響超聲電機(jī)上電壓的高低。