行波型超聲波電機(jī)的模型仿真與試驗(yàn)研究.pdf

1、超聲波電機(jī)(Ultrasonic Motor，簡稱USM)是一種全新概念的電機(jī)，它突破了傳統(tǒng)電磁感應(yīng)電機(jī)的概念，利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)以及電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的摩擦耦合來進(jìn)行電能與機(jī)械能間的能量轉(zhuǎn)換。超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史較短，涉及到多個(gè)學(xué)科，有關(guān)超聲波電機(jī)運(yùn)行機(jī)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(jī)特別是行波型超聲波電機(jī)進(jìn)行模型仿真，采用三種分析方法對(duì)其不同特性進(jìn)

2、行研究，并對(duì)這些電機(jī)運(yùn)行性能進(jìn)行了測試。論文最后還介紹了兩種新結(jié)構(gòu)電機(jī)的設(shè)計(jì)。 論文共分8章。第1章主要介紹了超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史、特點(diǎn)、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(jī)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，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(jī)中壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，然后將電機(jī)定子等效成一個(gè)圓環(huán)形薄板，分析了電機(jī)定子的橫向彎曲固有振動(dòng)，并給出兩種行波型超聲波電機(jī)的工作模態(tài)的振型。最后，根據(jù)振動(dòng)分析結(jié)果，簡

3、要分析了電機(jī)定子表面運(yùn)動(dòng)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(duì)行波型超聲波電機(jī)進(jìn)行仿真，并介紹了行波型超聲波電機(jī)定子的模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析以及阻抗特性分析，對(duì)直徑為60mm和100mm的電機(jī)定子進(jìn)行了仿真計(jì)算，并利用有限元方法對(duì)100mm電機(jī)的定子支撐進(jìn)行了優(yōu)化。本章的最后介紹了電機(jī)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(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。第4章中對(duì)直徑為60mm的行波型超聲

4、波電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的接觸模型進(jìn)行研究，將電機(jī)定子等效成一個(gè)復(fù)合梁，分析定子表面的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)行規(guī)律，并且研究考慮齒的放大作用時(shí)的定子和轉(zhuǎn)子間接觸情況。最后將接觸模型與轉(zhuǎn)子運(yùn)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(shí)際電機(jī)。在第5章中，作者通過對(duì)電機(jī)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(jī)動(dòng)力學(xué)仿真模型。根據(jù)實(shí)際電機(jī)參數(shù)，計(jì)算出電機(jī)仿真模型的參數(shù)，利用Matlab對(duì)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真模型進(jìn)行了求解

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