夹心换能器式多自由度球形超声波电动机研制

提出一种新型的基于夹心换能器驱动的二自由度球型电动机,该电动机定子结构采用两对空间位置正交的夹心换能器,每对换能器驱动电机球形转子一个自由度的正反两个方向运动,换能器之间由一个支架连接,相互正交,支架连接换能器的位置在换能器一阶纵向振动的节面,从而消除了两个换能器之间的耦合,保证各换能器独立工作。该电动机的最大输出力矩为0.45 N.m,转速为12 r/min,实际工作频率为33.3 kHz,与设计相吻合。

三种基于夹心换能器驱动的球形超声马达设计

文章在换能器设计理论基础上利用有限元方法对夹心换能器进行了优化设计,通过改变前端变幅杆的长度、底座高度以及前端厚度的几何参数进行分析,得到了换能器前端变幅杆几何参数与换能器性能之间的关系,变幅杆的长度与换能器固有频率成反比,与振幅成正比,变幅杆的底座高度和前端厚度与固有频率和振幅放大系数皆成反比。以夹心换能器为驱动,提出三种新型多自由度球型马达结构设计,分别介绍了三种马达结构,分析了驱动原理和运动轨迹的实现,对比了相互之间的优缺点。对四换能器球形马达进行了样机试验,实际工作频率为33.300kHz,在驱动电压110V时,最大输出力矩为0.13Nm,最高转速可达46 r/m in。

纵振型夹心换能器的高次模式振动

常用纵振型夹心换能器通常工作在基频,为提高超声的作用效果,要求同一换能器工作在不同频率。为此,笔者研究了常用纵振型夹心换能器的高次模式振动。结果表明,通过合理设计,可使换能器在基频与高次谐振频工作。

雪花形二维耦合振动夹心式压电超声换能器的设计

为了实现单个换能器的多方向超声辐射,提出了一种新型的雪花形二维耦合振动夹心式压电超声换能器,它由正六棱柱形金属块、6组压电陶瓷晶堆和6个金属盖板组成。基于耦合振动理论和力电类比原理建立了换能器等效电路模型,推导了其共振与反共振频率方程。通过等效电路法、有限元法和试验研究了换能器的二维耦合振动特性。结果表明:当压电陶瓷晶堆越靠近正六棱柱形金属块时,换能器的有效机电偶合系数越高;随着换能器轴向尺寸的增加纵向耦合共振频率降低;在纵向耦合共振模式下,换能器的6个输出端均可输出一致的纵向位移振幅;等效电路法、有限元仿真和试验测试取得了较为一致的结果。该研究结果为该类换能器的工程应用提供了简明设计理论,研究成果有望应用于多维超声加工、多向超声辐射等领域。

一种基于纵弯夹心式换能器的直线超声电机

该电机利用夹心式换能器激励纵向和弯曲振动,通过一定相位差,在驱动足上形成椭圆振动轨迹。采用了指数形变幅杆放大纵振振幅以提高电机速度。利用经典换能器变幅杆理论确定换能器和变幅杆尺寸和纵向谐振频率,并辅以有限元方法来简并纵向和弯曲振动频率。驱动足处于变幅杆不同位置时驱动椭圆振动轨迹有所不同。用有限元法研究了不同形态的椭圆振动轨迹对电机输出性能的影响,发现当驱动足位于弯曲驻波波腹处电机性能最稳定。样机的最大速度480mm/s,最大推力25N。

夹心压电换能器的优化设计──分析各参数对换能器性能的影响

本文给出了夹心换能器各种性能参量的表达式，较全面地分析了夹心换能器的结构与材料参数对其性能的影响，提出了在不同应用中设计该种换能器的途径。

基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的优化设计

夹心式换能器应用极为广泛,但当其横向尺寸过大时,存在耦合振动,影响其辐射面的位移分布.本文通过在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工周期排列的槽,来形成一种二维声子晶体结构.随后,采用有限元法对基于二维声子晶体的大尺寸夹心式换能器的振动传输特性、共振频率以及发射电压响应进行仿真模拟,讨论了开槽高度和开槽宽度对其带隙、共振与反共振频率、带宽以及辐射面位移分布的影响.研究结果表明,通过在大尺寸夹心式换能器中应用声子晶体结构可对其进行优化设计.当大尺寸夹心式换能器的工作频率位于其带隙范围内时,二维声子晶体结构能有效地抑制其横向振动,从而改善换能器辐射面位移分布的均匀程度.此外,在大尺寸夹心式换能器的前盖板中加工二维声子晶体结构,能有效提升换能器的带宽,进而拓宽大尺寸夹心式换能器的工作频带.

夹心式功率超声压电陶瓷换能器的工程设计

文中为换能器的优化设计和性能改善提供一些有用的设计指南和解决措施,并对功率超声夹心式压电陶瓷换能器工程设计中的一些重要问题(即换能器各部分的功能及选择,压电陶瓷元件的位置优化,接触界面对换能器性能的影响与预应力的选择及影响等)进行了简要的分析。结论表明,文中所述对于优化设计、改善并提高性能具有参考和使用价值。

夹心式复合换能器的研制

根据适应超声加工换能器的结构形式,通过研究功率换能器的工作原理、理论设计和工程设计方法,设计并制作大振幅换能器。

夹心式压电换能器的谐振频率跟踪方案设计

分析了夹心式压电换能器的阻抗特性,讨论了基于相位方式的现有跟踪方案的不足,提出了一种新的频率跟踪方案,介绍了实现该方案的电路系统。该方案的特点是:采用先扫频后跟踪的策略,解决了频率范围设定难的问题;增加解锁控制,使得系统在死锁或误跟踪时自动回到频率搜索状态;采用直接数字合成器(DDS)作为频率调整和信号产生的器件,实现了全数字系统,调整方便,精度高;采用复杂可编程逻辑器件(CPLD)做相位比较和DDS控制,使频率跟踪速度快,并且跟踪精度和速度均可控制。

基于夹心弯振换能器的双向驻波超声波直线电动机

一种利用夹心式弯振换能器的激励弯曲驻波的驻波超声波直线电动机。运用振动理论分析了电机的致动原理,通过激励两种不同谐振频率的弯曲驻波,并结合驱动齿的合理分布,可实现双向运动。采用有限元法确定其具体结构尺寸,验证了各驱动齿端部振动轨迹为倾向一致的斜线。制作了样机并测定了其机械输出特性。

基于类1-3-2型压电复合陶瓷夹心式换能器性能的研究

研究并设计了类1-3-2型压电复合材料与基于此材料的夹心式换能器,分析了类1-3-2型压电复合材料的频率特性和夹心式换能器的频率方程。利用切割法制作类1-3-2型压电复合材料,并采用该材料制作了夹心式换能器并进行了实验验证。研究表明:该型换能器可实现拓宽夹心式换能器工作频带,有效抑制杂散模态以及改善位移分布,可应用于大功率超声与水下大功率发射器。

夹心式纵弯复合模式压电陶瓷超声换能器的研究

对夹心式纵弯复合压电陶瓷超声换能器进行了理论及实验研究,该换能器由金属细棒及纵向极化的压电陶瓷圆环组成。得出了换能器中纵向振动和弯曲振动的共振频率方程。通过修正金属细棒的长度和横截面积,实现了换能器中纵向振动与弯曲振动的同频共振。实验结果表明,换能器的测试频率与计算频率基本符合,而且换能器的纵向频率和弯曲振动频率也吻合。

夹心式压电陶瓷超声换能器的非线性研究进展

夹心式压电陶瓷超声换能器是目前大功率超声设备中应用最广的一种换能器,其在大功率工作状态下会呈现出明显的非线性特征。综述了夹心式压电陶瓷超声换能器非线性方面的研究进展。首先介绍了国内外在压电陶瓷非线性方面的重要理论及实验研究成果,着重阐述了大功率领域常用的硬压电陶瓷的非线性研究工作,其次对夹心式压电陶瓷超声换能器的结构及工艺所引起的非线性进行了简要分析和论述,最后介绍了夹心式压电陶瓷超声换能器非线性建模方面的研究进展。

夹心式功率超声压电换能器负载特性研究

在等效电路理论的基础上 ,对大功率夹心式压电超声换能器的负载特性进行了研究 .重点讨论了两种常用的负载 ,即超声清洗等液体处理技术中的液体负载以及用于超声加工和超声钻孔等技术中的固体负载 .探讨了负载对换能器共振频率的影响 .结果表明 ,对于液体介质 ,当液面的高度在一定范围内增大时 ,换能器的共振频率会降低 .当液体负载横截面积增大时 ,液面高度对换能器共振频率的影响增大 .对于固体负载 ,当超声加工工具的长度减小时 ,换能器振动系统的共振频率升高 .当超声加工工具的横截面积较小时 。

夹心式压电陶瓷功率超声换能器的优化设计

对夹心式压电陶瓷功率超声换能器的优化设计进行了探讨。分析了一种压电陶瓷中间带有厚电极的夹心式换能器的频率特性及其机电转换性能,得出了金属厚电极的几何尺寸对换能器振动性能的影响。探讨了换能器中压电陶瓷片的位置和几何尺寸对换能器的共振频率、反共振频率和有效机电耦合系数的影响,并得出了一些有利于夹心式换能器优化设计的结论。

夹心型换能器纵振动的工程计算

本文介绍在设计夹心型换能器纵振动的谐振频率计算中，由振子的厚度等效于基波的半波长出发，导出纵向振动换能器的频率方程。使谐振频率计算更加简便。实验表明，该方法计算方便，精确，适用于设计夹心型换能器纵向振动的谐振频率计算。

夹心式压电换能器压电片端面应力分析与结构优化

针对预紧力作用下传统的夹心式压电换能器会出现压电片受力不均匀的问题,提出了一种由环形垫块与短圆柱组成的新型换能器后盖板结构设计方案。基于半空间表面受垂直集中力作用的Boussinesq结果,求取换能器后盖板端面中心小区域受力时的应力解,结果显示压电片端面中心区域应力最大、靠近边缘处应力最小,并利用Ansys仿真软件和实验验证了理论分析的结果;根据压电片的受力情况对后盖板的形状及尺寸进行优化,并修正了优化后模型的谐振频率;加工、装配了优化前、后的换能器并测试其阻抗特性,结果表明:经优化后的夹心式压电换能器能够在保证阻抗性能参数基本不变的情况下,明显改善压电片端面处应力分布不均匀的现象。

预紧力对夹心式弯曲振动换能器振动特性的影响

由于理论计算的复杂,在夹心式弯曲振动换能器理论计算时通常不考虑螺栓预紧的影响,这样将导致理论设计出的换能器与实际换能器的振动特性存在偏差。以螺栓预紧的夹心式弯曲振动换能器的振动特性为研究对象,首先忽略螺栓作用计算得到换能器几何尺寸,然后利用有限元软件ABAQUS建立模型,考虑螺栓作用修正理论计算值,并对夹心式弯曲振动换能器在不同预紧力下进行模态仿真。分析夹心式弯曲振动换能器在施加不同螺栓预紧力状态下共振频率,节点位置,重点分析前后盖板以及压电陶瓷的相对应力分布,认为预紧力变化对频率影响较小,节点位置没有影响,但对换能器前后盖板以及陶瓷片应力集中影响较大。预紧力作用很大程度上影响夹心式弯曲振动换能器的阻抗值,通过阻抗分析仪测量不同预紧力情况阻抗值,发现阻抗值随预紧力的增大而减小。由此可根据换能器阻抗特性及应力集中情况得出夹心式弯曲振动换能器最佳预紧力的值。

夹心式低频超声换能器设计

针对夹心式换能器的设计问题,分析推导了夹心式换能器常用的4种设计方法,即解析法、等效电路法、传输矩阵法和有限元法,并比较分析了这些设计方法的特点和适用范围。为简化设计,提出了设计系列化的思路和用设计方法本身统一各元件性能参数表达式等问题,并找出了影响设计精度的原因。