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纵扭复合型超声波电机的若干问题研究

作　者: 龚书娟
导　师: 郭吉丰
学　校: 浙江大学
专　业: 电机与电器
关键词: 超声波电机纵扭复合型模态分析调谐有限元力传递模型纵振动耦合模型噪声机械特性
分类号: TM359.9
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
下　载: 208次
引　用: 3次
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内容摘要

论文概述了超声波电机的发展简史、基本原理、特点和分类,介绍了驻波型超声波电机的发展情况,特别是纵扭复合型超声波电机研究进展,重点论述了纵扭复合型超声波电机的结构调谐、接触模型、噪声这三个重要问题,并提出了一些研究思路,明确了本文的主要研究内容。介绍了纵扭复合型超声波电机的基本原理和结构,并应用Mason机电等效法,推导出了纵扭复合型电机的纵、扭转振动谐振频率方程,建立了纵扭复合型超声波电机关键尺寸与谐振频率的关系,从而形成了纵扭复合型超声波电机的基础理论。首次提出了一种具有中空结构的纵扭复合型超声波电机,其原理是利用了一阶扭振动和一阶径向振动(引起的纵向振动),这种电机具有调谐方便,结构简单和电机轴向尺寸小等优点,文中详细地用有限元法和实验结果阐述了其振型及其调谐思路,并就结构尺寸和电机压紧力对电机谐振频率的影响进行了具体分析。提出了纵扭复合型超声波电机的力传递模型和特性分析方法。首先,采用一振动周期内轴向冲量守恒的原理推导给出了定转子接触角关系式,并对摩擦力模型进行了改进,随后运用一振动周期内周向能量守恒的原理推导了电机输出力矩表达式,分析了堵转力矩和空转转速的影响因素,并给出了电机接触面的传递效率。利用上述表达式,仿真和实验分析了定转子预压力对电机输出力矩的关系和影响,以及其他参数对接触面效率的影响,解释了这种电机工作效率偏低的原因。深入地分析了纵扭复合型超声波电机定转子纵振动的耦合问题,结合电机定转子的实际运转过程情况,运用振动理论建立了纵振动耦合简化模型,分析定转子各种复杂的振动过程和系统参数对纵振动的影响,从理论和实验证实了力传递模型建立中的假设合理性,为电机设计提供了理论基础。实验研究了纵扭复合型超声波电机的噪声机理,通过各种噪声实验和有限元法分析比较,最终确认纵扭复合型超声波电机的噪声是由二部分组成,一是由系统运动的非线性产生的分数次谐波诱发的噪声,且是主噪声源:二是由摩擦激发的定、转子低阶谐振产生的幅射噪声,这为电机结构改进和降低噪声提供了依据。

全文目录

第一章绪论  9-23
  1.1 超声波电机的发展简史、基本原理、特点和分类  9-11
    1.1.1 超声波电机发展简史  9-10
    1.1.2 超声波电机的基本原理  10
    1.1.3 超声波电机的特点  10
    1.1.4 超声波电机的分类  10-11
  1.2 驻波型超声波电机的特点、分类和发展简史  11-15
    1.2.1 驻波型超声波电机的特点  11
    1.2.2 驻波型超声波电机的分类和发展简史  11-15
  1.3 纵扭复合型超声波电机研究进展  15-18
  1.4 纵扭复合型超声波电机的若干问题  18-22
  1.5 本文研究的主要内容  22-23
第二章纵扭复合型超声波电机的数学模型  23-36
  2.1 纵扭复合型超声波电机的结构和运行原理  23-25
    2.1.1 纵扭复合型超声波电机的结构  23-24
    2.1.2 复合型超声波电机的运行原理  24-25
  2.2 压电振子模型  25-30
    2.2.1 纵扭压电振子Mason等效电路模型  25-27
    2.2.2 级联理论  27-29
    2.2.3 多层压电振子的等效电路模型  29-30
  2.3 纵扭复合型超声波电机的纵、扭振动模型  30-35
    2.3.1 弹性体的纵扭振动模型  31-32
    2.3.2 纵扭复合型超声波电机纵振动的数学模型  32-33
    2.3.3 纵扭复合型超声波电机扭转振动的数学模型  33-35
  2.4 本章结论  35-36
第三章纵扭复合型超声波电机的模态简并  36-49
  3.1 引言  36
  3.2 纵扭复合型超声波电机的模态简并思路  36-47
    3.2.1 有限元进行模态分析的理论基础  37
    3.2.2 纵扭复合型超声波电机有限元模型  37-38
    3.2.3 电机有限元计算结果  38-41
    3.2.4 电机的频率-阻抗特性  41-43
    3.2.5 结构尺寸对谐振频率的影响  43-47
  3.3 具有中空结构的纵扭复合型超声波电机结构图  47
  3.4 谐振频率误差分析  47-48
  3.5 本章结论  48-49
第四章纵扭复合型超声波电机的力传递模型和特性研究  49-60
  4.1 引言  49-50
  4.2 纵扭复合型超声波电机的简化驱动模型和等效电路  50
  4.3 接触面的摩擦力传递模型和效率  50-54
    4.3.1 问题设定  50-51
    4.3.2 定转子接触角的确定  51-52
    4.3.3 稳态输出力矩  52-53
    4.3.4 电机接触面的传递效率  53-54
  4.4 仿真与实验分析  54-59
    4.4.1 定子表面纵扭振动幅值对电机性能的影响  54-55
    4.4.2 摩擦材料对电机性能的影响  55-56
    4.4.3 预压力对电机性能的影响  56-57
    4.4.4 接触面的效率  57-58
    4.4.5 电机的工作频域  58-59
  4.5 本章结论  59-60
第五章纵扭复合型超声波电机的纵振动耦合数学模型  60-80
  5.1 引言  60
  5.2 纵扭复合型超声波电机的纵振动耦合简化模型  60-62
  5.3 纵振动分析  62-67
    5.3.1 基本方程  62
    5.3.2 定转子有分离过程时的方程求解  62-66
    5.3.3 定转子没有分离过程即全接触状态时的方程求解  66-67
  5.4 计算结果分析  67-79
    5.4.1 摩擦材料的厚度为2.5mm时不同预压力下定、转子位移、冲击力、接触角随时间的变化  67-69
    5.4.2 摩擦材料的厚度为2.5mm时预压力与接触角、定子位移、冲击力的关系  69-70
    5.4.3 摩擦材料的厚度为2mm时不同预压力下定、转子位移、冲击力、接触角随时间的变化  70-73
    5.4.4 摩擦材料的厚度为2mm时预压力与接触角、定子位移、冲击力的关系  73-74
    5.4.5 摩擦材料的厚度为1.5mm时不同预压力下定、转子位移、冲击力、接触角随时间的变化  74-76
    5.4.6 摩擦材料的厚度为1mm时不同预压力下定、转子位移、冲击力、接触角随时间的变化  76-79
  5.5 本章结论  79-80
第六章纵扭复合型超声波电机的噪声实验研究  80-91
  6.1 引言  80-81
  6.2 噪声实验  81-88
    6.2.1 不同预压力下的时域信号和频谱图  81-82
    6.2.2 不同驱动频率时的频谱图  82-84
    6.2.3 只加扭振电压，不同的驱动频率时电机的噪声频谱  84-86
    6.2.4 只加纵振电压，不同的驱动频率时的噪声频谱图  86-88
  6.3 有限元计算  88-89
    6.3.1 定子的振型  89
    6.3.2 转子的振型  89
  6.4 本章结论  89-91
第七章结论与展望  91-93
  7.1 结论  91-92
  7.2 今后研究工作展望  92-93
攻博期间发表的论文和专利  93-94
致谢  94-95
参考文献  95-100

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