弯曲旋转超声电机接触界面锥形角的分析与实验

要提高弯曲旋转超声电机电能转换为机械能的效率,就必须尽量减小其定子与转子之间的相对滑移。并且要使马达定转子之间的摩擦接触界面与接触点的振动轨迹相垂直。先论证了一种数学方法去推算这种弯曲旋转超声电机接触界面的锥角计算公式。然后以压电管超声电机为例,研制了一些外径5mm、内径4mm、长15mm但接触界面锥角不同的样机,通过实验证明马达定转子之间的摩擦接触界面与接触点的振动轨迹相垂直时马达转动效果最好。计算结果与实验结果非常吻合,证明了锥角计算公式的正确性。

行波型旋转超声电机双路行波的运行机理

由于行波型旋转超声电机(traveling wave rotary ultrasonic motor,TRUM)存在着诸多非线性因素,双定转子TRUM中的双路行波输出性能还有待提高。基于单定转子TRUM理论,研究了双路行波运行的轴向组合振动特性和周向合成输出特性,分析了单转轴–双转子结构体的轴向振动模型,由于该结构体阻尼减振的不足,提出一种隔振设计解决方案。建立了双路行波周向合成的输出模型,并探讨了两路行波不一致时的输出特点。实验结果表明,与单定转子TRUM相比,基于隔振结构的新型双定转子TRUM的输出转矩提高了80%,功率密度提高了43.1%,且双路行波输出转矩的合成效率达到90%。该研究为扩展TRUM的应用范围提供了参考。

行波型旋转超声电机温度场分析方法

针对行波型旋转超声电机发热严重的问题,建立三维瞬态温度场的模型。综合考虑超声电机产生损耗的原因,对各部位的损耗进行理论推导和数值计算。利用Ansys软件对理论模型进行仿真,分析了超声电机关键部位的温度分布情况。建立了一套温度测试系统,对理论模型和仿真结果进行试验验证。结果表明,理论分析和试验结果基本吻合,为进一步研究超声电机的热源优化问题提供了分析和试验方法。

行波型旋转超声电机两种组合方式的实验研究

为了进一步提高超声电机的输出性能,设计并实现了两种组合结构的行波型旋转超声电机(TRUSM)———双定子单转子结构和双定转子结构,并依据结构特征,定性分析了定转子接触状态对两种组合方式输出性能的影响。参照单定转子TRUSM,用对比实验检验了两种组合结构TRUSM的特点。实验结果表明,组合结构是大幅度提高TRUSM输出性能的一种有效方法,而且组合结构中的定转子接触状态对输出性能意义重大。

微型旋转超声电机的发展和现状

系统地总结了微型旋转超声电机的发展,详细地叙述了各种微型电机的驱动机理、工艺方法和性能指标,并分析了各自的优缺点。讨论了在微型旋转电机设计中应注意的一些关键问题,为下一步微型旋转超声电机以及MEMS驱动器的研究工作提供了参考依据。

UHMW-PE复合材料用于行波型旋转超声电机

为提高行波型旋转超声电机(TRUM)的摩擦界面性能,制备了一种交联超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)复合材料。采用UHMW-PE树脂添加甲基丙烯酸烯丙酯(MAAAE)交联敏化剂、碳纤维和碳纳米管等增强剂以及MoS2和石墨等材料熔融共混后,在室温和N2气氛条件下用Co60γ辐射源辐照得到交联UHMW-PE复合材料。凝胶含量测试发现,随着辐照剂量和MAAAE量的增加,凝胶含量迅速增加。将该条件下制备的交联复合材料粘贴到TRUM-60行波超声电机转子上,整机试验结果表明,堵转扭矩达到1.4 N.m,空载转速225 r/min,换能效率25%以上。根据100 h的材料磨损量预测,寿命可达到8 000 h以上。

单相驱动的弯曲旋转超声电机数值模拟及试验

提出了一种新型单相驱动的弯曲旋转超声电机,建立了该型电机的有限单元模型.通过定子的模态分析,确定了关键工作参数;建立了动子和转子接触有限元模型,对其工作过程进行了瞬态分析,验证了该型电机的原理可行性;根据仿真分析结果,加工制造出该型弯曲旋转超声电机.初步研究表明:该型电机有比较高的空转转速和堵转力矩;驱动电源为单相,电源结构简单,样机制造成本低,提高了可靠性;样机机构实现了高转速、大扭矩、超精密的倾斜动力传输.因此该型电机可以作为精密倾斜动力传输机构.

基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机

针对现有旋转超声电机不易与其他装置连接,以及因弹簧预紧造成轴向尺寸过长等问题,笔者提出了一种基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机。电机由定子和锥形转子组成,定子采用一圆环加双腿式结构,在定子双腿外侧贴有纵振和弯振压电陶瓷片,双腿内侧有4个连接耳。电机定转子之间采用硅胶环和E型卡环进行预压力施加和端部紧固。电机利用圆环内侧周向行进的面内行波驱动转子旋转。利用ANSYS有限元软件对定子进行仿真分析,研究结构对模态的影响,以确定夹持和压电陶瓷片的粘贴位置;并对定子模态频率进行灵敏度分析,指导定子结构尺寸(设计变量)的修改,以提高优化效率。制作多组样机并开展实验研究,机械输出特性的实验结果表明:该电机体积小,最大宽度仅为12 mm;结构紧凑,总质量为6.9 g,易于与其他驱动装置连接;最大空载转速为338 r/min,最大输出扭矩为1.44 mN·m。

复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机研究

为了丰富旋转超声电机的型式,该文提出了一种复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机。选取定子的面内、外弯振作为电机的工作模态,阐述了定子驱动机理。建立了定子有限元(FEM)模型,对电机进行模态分析,基于两相工作模态频率一致性的目标对定子进行尺寸优化,最终确定定子的主要尺寸L、H、K、J、I、D分别为18.2 mm、3.2 mm、3.6 mm、4.3 mm、11.6 mm、3.4 mm,此时两相模态频率分别为37851 Hz和37959 Hz。对电机进行谐响应分析,以排除干扰模态的影响。对电机进行瞬态分析,当以250 V、37800 Hz的信号激励时,x、y、z各向振幅可达3.93μm、3.61μm、4.12μm。探究了电机的调压、调频及调相特性,设计了电机的装配结构,该电机有望产生较大的动力及速度。

双定子行波型旋转超声电机驱动器设计

针对双定子行波型旋转超声电机的运行技术要求,研究设计基于C8051F120型单片机的超声电机驱动器。介绍了设计的驱动器的总体结构及驱动电路、控制电路的构成与工作原理,以及仿真分析与实际测试情况。测试结果表明,这种驱动器能够稳定输出4路频率为(20～60) k Hz且幅值与相位可调的正弦电压信号,在双定子行波型旋转超声电机工作异常时,它可以自动调整输出信号频率,从而保证电机稳定运行。

新型旋转驻波超声电机的理论与实验研究

本文提出一种多驱动齿的新型旋转驻波超声电机,采用增添附加齿的方法对超声电机振子的B06面外弯曲模态进行了预期的修正,实现了驱动齿最佳位置的设计,同时提出一种沿转子圆周方向均匀分布圆孔的方法降低转子刚度,满足柔性要求,可以除去碟形弹簧,实现转子与加压装置的一体化设计。经对样机振子的振型测试,验证了有限元分析的准确性。对影响振子模态及固有频率的主要结构参数进行了有限元数值分析,为设计及加工振子提供了理论依据。

旋转行波超声电机的冲击动力学模拟及实验

研究了冲击产生的高过载对旋转型行波超声电机结构和性能的影响机理和规律。首先,结合旋转型行波超声电机的工作机理和结构形式,建立了该型超声电机在冲击载荷下的有限元模型,利用显式算法模拟其在冲击过载环境中的暂态过程,分析电机的定、转子及压电元件等部件的应力和应变分布规律,研究和评估了目前超声电机结构对瞬时超大过载的耐受情况;其次,设计了特定夹持装置,对旋转型行波超声电机的耐过载特性进行了马歇特锤击实验,实验结果很好地印证了理论分析结果;最后,综合理论和实验结果评定了当前典型的旋转行波超声电机结构在特殊使用环境中的耐过载能力及易损伤部件。实验结果表明,紧凑和简单的结构特点使得超声电机本身具有较好的适应大过载环境的工作能力,在直接承8千个重力加速度冲击过载后仍能维持一定的输出特性。

一种新型双面锥齿形行波超声电机的研究

为了提高面内行波旋转超声电机输出力矩及超声电机运行时转子的稳定性,提出了一种基于面内三阶弯曲模态的双面锥齿形行波旋转超声电机。电机由双面锥齿形定子与双内锥面转子组成,实现了双面驱动。通过有限元软件建立了定子的参数化模型进行仿真分析,确立了定子的结构参数、工作模态频率及振型。制作了原理样机,测试了定子的振动特性和样机的输出性能。实验结果表明:当激励电压峰-峰值为300 V,激振频率为22.665 kHz时,电机的堵转力矩为3.087 N·mm,最高空载转速为160 r/min。

旋转行波超声电机非线性摩擦界面模型

分析了对行波超声电机定子和转子间接触状态 ,利用间距δ更准确地表征了定、转子间几种不同的接触情况 ;依据行波作用的特点 ,利用时空方程间的对应关系 ,提出了用接触变形角定量地表示定、转子间接触状态的变化情况 ,讨论了弹性滑动、弹性滞后 ,特别是 stick-slip现象对摩擦界面的影响 ;改进了传统的线性纯滑动摩擦模型 。

旋转型行波超声电机接触界面的空间域分析

由行波的时空对应关系,可以在空间域分析旋转型行波超声电机稳定工作的某一时刻定、转子的接触状态。将此接触状态的求解转化为静态分析问题,采用ANSYS的三维点点接触单元建立有限元模型。给出该模型的约束和载荷的施加方式,以及预压力与间距之间的关系。由该模型可以得到各向接触力和定、转子的速度分布,还可以得到接触界面的动力输出特性。进一步计算接触界面对定子的模态力,分析其对定子的影响。空间域模型可以将预压力作为已知条件施加,这便于分析预压力对旋转型行波超声电机的影响。与实验对比表明,该模型在驱动频率和定子振幅一定的条件下得出的计算值与实验值在一定预压力附近较为接近。

旋转型行波超声电机理论模型的仿真研究

建立了旋转型行波超声电机定、转子间的摩擦驱动模型,不仅考虑了接触界面上的纵向分布力,而且分析接触力沿周向和径向上的分量,在此基础上结合定子和转子的动力学模型得到了整个电机的机电耦合模型。文章分析了预压力影响电机驱动频率的本质原因,说明该频率不能直接通过分析自由定子得到,最后通过数值计算分析了接触界面力对电机工作频率的影响,取得了与实验一致的结果。

旋转型行波超声电机中三维接触机理的研究

通过分析旋转型行波超声电机接触界面上的相对运动趋势和动力传递机理,指出定、转子存在径向滑动的现象,由此建立了考虑径向滑动的三维接触模型,并提出描述径向滑动趋势大小的指标——摩擦角,在此基础上结合定子与转子的动力学描述得到了整个电机的数学模型。文章通过仿真得到了界面上切向接触作用力的分布规律和滑动摩擦导致的能量损失情况,分析了径向滑移对电机输出特性的影响,结果与实验吻合。而以往文献的接触模型由于忽略了界面上的径向滑动造成的损耗,其性能仿真与实验结果有较大偏差,由此证明了径向滑移对电机机械性能的影响是不容忽视的。

旋转型行波超声电机的等效电路模型

在推导旋转型行波超声电机定转子运动拉格朗日方程和压电陶瓷电流方程的基础上,建立了超声电机的等效电路模型。并通过测量单相定子导纳、由摩擦层和转子材料特性参数估算模型中相关元件的值和解析计算电机输出功率及摩擦损耗的方法,对模型进行简化,并获取其中各参数。将电机不同负载转矩及驱动频率的工作条件考虑在内,以电机的等效电路模型作为驱动器的电气负载来设计驱动器参数。给出了理论计算同实测的结果,验证了等效电路模型的正确性和有效性。

微小旋转型超声电机瞬态特性测试及机械特性估计方法

提出了一种直径10mm的微小旋转型行波超声电机的结构设计方案,并加工制造了样机。针对该电机具有毫秒级的响应特性和较小输出力矩的特点,提出通过分析瞬态过程的动力学特性来估计电机负载能力的方法。利用光电编码器、NI采集卡及虚拟仪器软件组成的信号采集系统,对该微型超声电机进行了瞬态特性实验,获得了电机转速、启动及关断时间。对电机瞬态特性的实验数据进行了分析,并计算得到了电机的力矩特性。最后,通过与采用测功机得到的电机机械特性数据进行对比,验证了该方法的有效性。

旋转行波超声电机最优预压力的研究

为提升旋转行波超声电机输出性能,研究其在不同负载下的最优预压力,针对TRUM-70H超声电机进行了理论计算和实验验证。建立超声电机动力学模型,分析了预压力对超声电机机械特性的影响;以TRUM-70H超声电机为对象,分析其最优预压力与负载力矩间的关系;搭建超声电机多功能测试平台,验证理论推导结果,并指出误差存在的原因;根据研究结论,提出超声电机装配时应根据负载选用预压力。结果表明,预压力和负载力矩对超声电机转速的影响存在耦合关系;在超声电机有效工作范围内,最优预压力值与负载力矩近似呈线性正相关;装配时根据实际负载需求设定超声电机预压力,可提高其输出效率。