振动模态与超声波电机性能关系的研究

振动模态选择是超声波电机设计的重要环节 ,也是影响电机性能的重要因素。本文介绍了超声波电机振动模态形式及其选择的原则。采用有限元分析方法计算了所设计电机的振动模态和共振频率 ;用阻抗特性分析仪测量了不同模态对应的共振频率 ,其结果与有限元分析结果一致。

小型方柱压电陶瓷电机的设计及性能

设计了一种小型方柱弯曲旋转压电超声电机,即摇头式压电陶瓷超声电机。该电机采用带圆孔的金属方柱作为电机的定子部分,并在方柱的4个垂直表面分别粘贴沿厚度方向极化的压电陶瓷片,其外形尺寸小于6mm×6mm×10mm。利用有限元分析软件ANSYS对电机的工作模态进行了模拟计算,得到金属方柱定子的一阶弯曲振动频率为125.5kHz;并对其工作状态进行了谐响应分析,得到X(Y)向、Z向振幅,由此计算得到定、转子之间的最优接触角,约为24.5°。采用激光多普勒测振仪(Polytec300-F)测量了电机的振动谱特性,测得一阶弯曲振动发生在129.6kHz处,并观察到两个节面位于全长的1/4及3/4处,实验与有限元仿真结果基本一致。讨论了不同厚度陶瓷片及金属方柱圆孔孔径大小对电机输出特性的影响,确立了小型方柱电机的尺寸设计标准。

三棱柱形直线超声电机

提出一款三棱柱形直线超声电机。电机定子为由二片压电陶瓷片黏接在三棱柱结构的弹性体上构成。每片压电陶瓷片产生的空间激励力都与两个工作模态的振动方向有一夹角,单片陶瓷片即能激励出两个工作振动模态,而且两者振动响应存在一个相位差。研究了电机定子驱动机制模型,推导了电机单相、两相激励时驱动质点的运动轨迹,分析了电机单相、两相驱动原理。对制作样机的机械性能进行了测试,试验表明电机可在较宽的频率范围内平稳运行,当驱动电压峰峰值为250V时,该电机单相、两相驱动的最大速度分别为2.2、2.5mm/s,最大输出力分别为0.156、0.192N,是定子质量的8.6倍、10.6倍。

圆盘型非接触超声波马达定子的有限元分析

阐述一种圆盘型非接触超声波马达的结构。利用振动理论和有限元法分析计算了超声波马达定子在不同振动模态下的固有频率,并讨论了定子的内、外径比和厚度对其影响。结果两者吻合较好。由于振幅和非接触马达的运行密切相关,因此利用有限元计算了定子的振动幅度与定子的内、外径比、厚度和定子所加电压的关系,从而为马达定子的设计和优化提供了理论依据。

振动片倾角对超声波电机性能的影响

以振动片式驻波超声波电机为研究对象,设计并制作两台不同结构尺寸的样机,就不同倾角振动片对电机性能的影响进行对比实验.结果发现,振动片的角度值也存在一个最优的匹配范围,预压力有一个最佳的匹配值,以及换能器的预紧力大小对电机输出的影响十分敏感.在一定条件下(如驱动频率、振动片倾角、定转子间的预压力等),振动片式驻波超声波电机能够实现转子的反转效果.说明一般认为该类型电机只能单向驱动的结论并不准确.此外,转子的正反转效果与驱动频率、振动片倾角、定转子间预压力等因素有关.

驻波型直线超声波电动机分析与测试

研究一种驻波型直线超声波电动机。首先分析电机的结构和工作原理,接着采用解析法建立电机金属弹性体的振动模型,分析其自由振动的模态及对应的频率,并与有限元法分析结果进行比较。然后对样机进行了阻抗-频率特性测试,理论分析结果与实验测试结果相吻合,测试结果也表明,驱动足对电机的共振频率有影响,驱动足的位置越靠近振动的节点,对振动频率的影响越小。最后设计了一种电接触测试法,对电机驱动足与地面的接触状态进行了研究,结果表明,驱动足的位置越靠近振动节点,接触时间越长,电机行进速度越慢。

双翼形直线超声波电动机

提出一款双翼形直线超声波电动机。电机定子为一个带双翼的空心圆柱结构,其利用双翼弯曲振动致使空心圆柱上下、左右摆动的两个振动模态工作,驱动动子旋转直线运动。推导了电机定子驱动质点的运动轨迹方程,研究了电机定子驱动动子运动的工作机理。利用有限元法进行分析计算,对定子驱动质点的运动轨迹进行了仿真,验证了电机运动机理分析的正确性。制作了双翼形直线超声波电动机原理样机,并进行性能测试,试验表明电机的工作频域范围较宽,在激励电压峰峰值为250 V时,电机的空载速度为1.55 mm/s,最大输出力为0.106N,是定子质量的11.7倍。

四悬臂复合换能器式圆筒行波超声波电动机的研究

通过提出一种四悬臂复合换能器行波超声波电动机,提高了超声波电动机的输出力矩和性能。该电机由4个换能器、圆筒和转子组成,4个换能器均匀地分布在圆筒四周。通过控制输入激励信号,实现在圆筒上激励出在时间上相差π/2的纵弯模态行波,通过圆筒上齿和转子耦合使转子产生运动。在分析电机工作机理的基础上,建立了纵弯复合换能器式圆筒行波超声波电动机的有限元模型,通过对模态进行分析,最终实现电机纵振和弯振的复合模态简并。

大直径超声压电驱动器定子支撑的研究

定子支撑对大直径超声压电驱动器的振动模态产生影响,从而对驱动器的输出特性和运行特性产生影响。结合有限元和理论分析对定子的幅频特性进行分析,进一步得出输出转速和转矩与支撑尺寸的变化曲线,从而定量分析支撑尺寸的改变对驱动器输出特性的影响。结果表明,定子支撑尺寸的改变对转速和转矩产生了影响,但转速和转矩的变化范围在6%内,故在设计大直径超声压电驱动器定子时,可通过改变支撑尺寸确定驱动器最优工作模态,而不会对驱动器输出转速和转矩产生较大影响。

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。