行波型方孔定子超声电机结构设计与性能分析

该文提出了一种新型的方孔定子行波超声电机,并进行了参数设计、仿真分析和实验研究。定子由1个方孔金属体和4块压电陶瓷片组成,通过与直径大于定子内边长的转子配合发生弹性变形,从而对转子产生预压力,便于驱动。利用有限元软件对定子进行模态分析,选择第三阶模态作为工作模态,得到定子最大振幅与激励频率、电压、壁厚、边长及圆角半径的关系,并研究了频率、电压及预压力对转子输出特性的影响。制作了实体样机并测试了其输出特性,测试表明,当电压为100 V、激励频率为31.5 kHz时,其空载转速为215 r/min,堵转力矩达到1.58 mN·m。

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。

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。

微型行波超声电机定子的参数优化设计

建立微型行波超声电机定子的参数化有限元模型,在灵敏度分析的基础上选择设计变量,设定了可反映电机输出性能的目标函数(由速度因子以及径向运动分量构成),并采用模态置信准则(Modal Assurance Criteria)自动识别出定子的工作模态,实现了对电机定子的参数优化设计。将该方法用于12mm行波型旋转超声电机定子的结构设计,最后根据设计方案加工得到样机,通过试验验证了该优化方法的有效性和正确性。

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。

纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机

提出一种纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机,该电机定子组件由定子圆筒和4个纵振夹心换能器组成,变幅杆和圆筒采用一整块硬铝合金加工而成。利用压电陶瓷片的纵向振动在夹心换能器中激励出纵向振动,实现两组换能器在定子圆筒上激励出2个幅值相等、在时间和空间上均相差π/2的弯振模态响应,2个弯振模态响应叠加在定子圆筒上形成弯曲振动行波,定子齿表面质点产生椭圆运动轨迹,进而通过和转子之间的摩擦耦合实现宏观运动输出。运用有限元法设计了定子圆筒和纵振夹心换能器,并实现了频率简并。测量结果表明,样机的最大转速为110r/min,堵转力矩为0.5N.m。

行波超声电机驱动控制技术的发展

简述推挽式、H桥等驱动电路的拓扑结构,分析了基于DSP的驱动控制电路结构形式,总结了超声电机的控制特点,给出了多种适用的超声电机闭环控制策略,有益于超声电机相关科学技术与产业的更快发展。

杆式行波超声电机运动机理的研究

本文介绍了作者发展的一种杆式行波超声电机的结构。基于振动和波动理论 ,深入研究了杆式行波超声电机的运行机理 ,推导了定子端面上任意质点运动轨迹 ,证明了在一定的激励条件下 ,定子端面沿Z向、径向和周向都可形成行波。描述了定子端面某些点的运动轨迹的空间分布。还提出了定、转子间最佳接触角和有效椭圆的概念。这些都为设计高效率的杆式超声电机提供了理论依据。

行波超声电机摩擦界面的输出特性

摩擦界面对超声电机的性能有至关重要的影响。该文针对行波型超声电机的摩擦界面作了系统的研究 ,建立了其仿真模型 ,实验验证了其可靠性 ,并利用该仿真模型分析了摩擦界面的输出特性及影响因素 ,对摩擦界面的设计提供了依据。

行波型超声波电机PWM驱动控制系统研究

针对行波型超声波电机的驱动特点和要求 ,结合脉宽调制技术 (PWM ) ,研制出一套适合于行波型超声波电机的PWM驱动 控制系统 ,该系统采用变频调速方式对电机进行闭环控制。实验结果表明 ,PWM驱动 控制系统的性能稳定、可靠 ,是行波型超声波电机驱动的一种新的探索。

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。

行波型超声波电机摩擦特性的实验研究

超声波电机是通过逆压电效应产生高频振动并通过摩擦实现驱动的电机,其定转子摩擦接触面的高频、微幅的行波振动有其特殊性,跟以往的摩擦接触显著不同,并对电机的换能效率、电机寿命和摩擦材料的选择等都有影响.本文建立了超声波电机定转子接触面摩擦系数测量装置,通过试验比较了摩擦接触面在常规、定子驻波振动以及行波振动下的动态摩擦系数,分析了定子相对转速(速度)、预紧力以及温度对定转子接触面摩擦系数的影响.根据摩擦二项式和电机定转子表面弹塑性接触状态对摩擦系数与预紧力等的对应关系进行了说明,分析了驻波振动和行波振动的超声减摩效果以及温度对摩擦系数的影响,确定了适合行波型超声波电机的摩擦系数计算模型.超声波电机的驱动摩擦特性是1项基础性工作,有助于行波形超声波电机设计、建模和驱动控制等.

一种中空环形行波型超声电机的研制

针对航天部件需要驱动器具有中空结构和大力矩的要求,设计出一种中空环形行波型超声电机。利用有限元方法,仿真分析了定子的共振频率、振幅以及定/转子的接触状态,计算了定子齿面质点的速度和运动轨迹,优化了定子和转子的结构尺寸,并研制出超声电机原理样机。负载特性实验结果表明,该样机的空载转速可达106r/min,堵转力矩可达1.8N·m,满足设计指标和工程需求。

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。

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。

大转矩行波型超声波电机的研制

为增加行波型超声波电机的转矩,该文提出了一种独特的G型支撑结构,并用有限元法研究了它对横向振幅和定转子间接触面积的影响。此外,还用三维有限元法计算了振幅和输出功率与定子齿高的关系,对摩擦材料的选用及转子结构的设计也进行了一定的考虑。为使电机的转矩进一步增大,还制作了一个双振子电机。实验结果表明电机的转矩性能确实可以得到明显改善。

球形行波型超声波电机的驱动数学模型

球形行波型超声波电机可以实现球面轨迹的运动,但是目前其设计仍处于经验阶段。该文从球形行波型超声波电机的原理与基本结构出发,利用坐标变换关系得到转子运动时定、转子接触面上接触力的分布情况,分析了行波定子与球转子接触点的摩擦驱动力和摩擦阻力。根据运动稳定时球转子的力和力矩平衡及行波定子的轴向力平衡关系,得到球形行波型超声波电机的驱动数学模型。通过仿真分析了结构参数和行波定子特性的影响,初步验证了上述模型。

行波超声电机定子的非线性振动(英文)

分析了超声电机定、转子间接触力的非线性特性引起的旋转型行波超声电机(TWUM)定子的非线性振动,以此为基础,建立了TWUM定子的非线性振动模型,并用KBM法求解了该模型。求解结果表明,定子的振动是非线性的,且会产生非线性的跳跃和迟滞现象,定子的非线性振动还会使TWUM输出的堵转力矩也出现跳跃现象。基于实验测得的TRUM空载转速的跳跃对定子的非线性振动进行了验证。在此基础上,对影响定、转子间接触力的几个因素进行了分析。分析结果表明,定子上的激励电压越高,施加在定、转子间的预压力越小,定、转子间相对滑动的摩擦系数越小;定子齿越短,摩擦材料越软,定子振动的非线性现象就越不明显,TWUM的运行稳定性就越好,TWUM的工作频带也就越宽。