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行波型超声波电机的模型仿真与试验研究

作　者: 徐志科
导　师: 胡敏强；金龙
学　校: 东南大学
专　业: 电机与电器
关键词: 行波型超声波电机有限元分析优化设计模型仿真试验研究
分类号: TM359.9
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

超声波电机(Ultrasonic Motor,简称USM)是一种全新概念的电机,它突破了传统电磁感应电机的概念,利用压电陶瓷的逆压电效应以及电机定子和转子的摩擦耦合来进行电能与机械能间的能量转换。超声波电机的发展历史较短,涉及到多个学科,有关超声波电机运行机理的更深层次研究还处在探索和不断完善的阶段,因此需要在学术研究和工业应用中做更多的工作。论文围绕超声波电机特别是行波型超声波电机进行模型仿真,采用三种分析方法对其不同特性进行研究,并对这些电机运行性能进行了测试。论文最后还介绍了两种新结构电机的设计。论文共分8章。第1章主要介绍了超声波电机的发展历史、特点、分类、应用以及研究现状,并结合国内外超声波电机技术的发展趋势,阐述了本论文的研究意义和研究内容。第2章,首先介绍了行波型超声波电机中压电陶瓷的逆压电效应,然后将电机定子等效成一个圆环形薄板,分析了电机定子的横向弯曲固有振动,并给出两种行波型超声波电机的工作模态的振型。最后,根据振动分析结果,简要分析了电机定子表面运动以及定子和转子间的接触情况。在第3章中,作者利用有限元分析方法对行波型超声波电机进行仿真,并介绍了行波型超声波电机定子的模态分析、谐响应分析以及阻抗特性分析,对直径为60mm和100mm的电机定子进行了仿真计算,并利用有限元方法对100mm电机的定子支撑进行了优化。本章的最后介绍了电机转子的有限元分析:包括转子的模态分析、静力学分析以及接触分析,在此基础上对转子结构进行了优化。第4章中对直径为60mm的行波型超声波电机的定子和转子的接触模型进行研究,将电机定子等效成一个复合梁,分析定子表面的质点运行规律,并且研究考虑齿的放大作用时的定子和转子间接触情况。最后将接触模型与转子运行方程结合,建立了基于二维线性接触的仿真模型,并用于实际电机。在第5章中,作者通过对电机定子振型的假设,利用Hamilton能量变分原理,建立了完整的行波型超声波电机动力学仿真模型。根据实际电机参数,计算出电机仿真模型的参数,利用Matlab对电机的动力学仿真模型进行了求解,给出了仿真得到的行波型超声波电机的起动过程,并分析了预压力和驱动频率对电机性能的影响。第6章主要介绍了电机的输入阻抗、起动过程以及运行特性的测试方法,并利用这些方法对实际电机进行了测试,将测试结果与前面各章内仿真计算得到的结果进行比较。最后设计实验,测试了电机在不同预压力下的工作特性以及电机的微步进运行。在第7章中,作者介绍了圆柱定子三自由度超声波电机和基于薄板面内振动的直线型超声波电机的设计,并对三自由度超声波电机结构进行了优化,提出在实际电机调试中,这两种电机工作模态共振频率调整的结构动力学修正方法。第8章是全文的总结部分,简要介绍了本论文的贡献,以及下一步研究方向。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-34
  1.1 超声波电机发展历史  10-11
  1.2 超声波电机分类与应用  11-22
    1.2.1 超声波电机分类  11-17
    1.2.2 超声波电机特点  17-19
    1.2.3 超声波电机应用  19-22
  1.3 超声波电机研究现状  22-26
    1.3.1 超声波电机本体的研究  22-24
    1.3.2 电机仿真模型的研究  24-26
    1.3.3 电机驱动控制的研究  26
  1.4 目前超声波电机研究尚需解决的问题  26-27
  1.5 本文主要内容和研究意义  27-29
    1.5.1 本论文的主要内容  27-28
    1.5.2 本论文的研究意义  28-29
  1.6 小结  29
  参考文献  29-34
第2章行波型超声波电机运行机理  34-54
  2.1 压电效应与压电方程  34-38
    2.1.1 压电效应与逆压电效应  34-35
    2.1.2 压电方程  35-37
    2.1.3 振动模态  37-38
    2.1.4 机电耦合系数  38
  2.2 行波型超声波电机结构  38-40
  2.3 行波型超声波电机定子横向弯曲振动  40-49
    2.3.1 定子薄板的基本假设  40-41
    2.3.2 圆环形薄板的横向振动  41-42
    2.3.3 圆环形薄板的主振型  42-45
    2.3.4 行波型超声波电机固有共振频率及振型  45-49
  2.4 行波型超声波电机运行机理  49-52
    2.4.1 定子表面行波的形成  49-51
    2.4.2 定子表面质点椭圆运动的形成  51-52
    2.4.3 定子与转子间接触  52
  2.5 小结  52-53
  参考文献  53-54
第3章行波型超声波电机的有限元分析与结构优化  54-80
  3.1 定子有限元分析模型  54-59
    3.1.1 有限元分析软件ANSYS 简介  54-55
    3.1.2 模型建立  55-56
    3.1.3 定子结构参数的确定  56-58
    3.1.4 有限元分析单元选取  58-59
  3.2 电机定子振动模态分析  59-65
    3.2.1 直径60mm 的超声波电机定子模态分析  61-63
    3.2.2 直径100mm 的超声波电机定子模态分析  63-65
  3.3 电机定子振动响应分析  65-71
    3.3.1 电机定子振动幅值计算  65-69
    3.3.2 电机定子输入阻抗计算  69-71
  3.4 电机定子支撑结构的优化  71-74
    3.4.1 支撑宽度的影响  72-73
    3.4.2 支撑厚度的影响  73
    3.4.3 支撑高度的影响  73-74
  3.5 电机转子有限元分析  74-79
    3.5.1 电机转子静力学分析  75-76
    3.5.2 电机转子的结构优化  76-78
    3.5.3 电机转子的振动分析  78-79
  3.6 小结  79
  参考文献  79-80
第4章行波型超声波电机接触模型的研究与仿真  80-98
  4.1 定子表面的行波  80-85
    4.1.1 考虑齿情况下定子中性层的确定  80-83
    4.1.2 定子齿端质点运动  83-85
  4.2 定子和转子间摩擦接触  85-88
    4.2.1 定子对转子的法向作用力  85-86
    4.2.2 定子对转子的摩擦驱动力  86-88
  4.3 仿真模型  88-90
    4.3.1 转子平衡方程  88-89
    4.3.2 行波型超声波电机仿真模型  89-90
  4.4 模型仿真分析  90-96
    4.4.1 仿真分析参数  90-91
    4.4.2 预压力对电机的影响  91-92
    4.4.3 齿对振动的放大作用  92-94
    4.4.4 齿对转子转速的影响  94
    4.4.5 摩擦界面运行效率  94-96
  4.5 小结  96-97
  参考文献  97-98
第5章行波型超声波电机的动力学模型分析及仿真  98-120
  5.1 行波型超声波电机的仿真模型  98-106
    5.1.1 电机定子的振动能量  99-104
    5.1.2 外力对定子所作功的变分  104-105
    5.1.3 仿真模型  105-106
  5.2 仿真模型参数求解  106-111
    5.2.1 定子模态质量矩阵  106
    5.2.2 定子模态刚度矩阵  106-107
    5.2.3 压电陶瓷的机电耦合矩阵  107-108
    5.2.4 电机定子和转子受到的力  108-110
    5.2.5 电机整体仿真模型  110-111
  5.3 模型仿真  111-119
    5.3.1 电机起动过程  113-115
    5.3.2 预压力对电机的影响  115-117
    5.3.3 驱动频率对电机的影响  117-119
  5.4 小结  119
  参考文献  119-120
第6章行波型超声波电机性能测试  120-133
  6.1 行波型超声波电机阻抗特性分析  120-122
    6.1.1 基于虚拟仪器的阻抗特性分析  120-121
    6.1.2 测试结果比较  121-122
  6.2 行波型超声波电机性能特性分析  122-125
    6.2.1 电机的转速脉动  122-124
    6.2.2 电机的起动过程  124-125
    6.2.3 电机工作特性测试  125
  6.3 不同预压力作用下电机性能测试  125-128
  6.4 超声波电机微步进控制与测试  128-131
  6.5 小结  131-132
  参考文献  132-133
第7章新结构超声波电机设计与优化  133-143
  7.1 圆柱定子三自由度超声波电机的设计与优化  133-139
    7.1.1 圆柱定子三自由度超声波电机结构设计  133-135
    7.1.2 圆柱定子三自由度超声波电机结构优化  135-138
    7.1.3 圆柱定子三自由度超声波电机的结构动力学修正  138-139
  7.2 基于薄板面内振动直线型超声波电机的设计  139-142
    7.2.1 直线型超声波电机的结构设计  140-141
    7.2.2 直线型超声波电机的实验验证  141-142
  7.3 小结  142
  参考文献  142-143
第8章总结与展望  143-145
  8.1 本文总结  143
  8.2 本文主要贡献  143-144
  8.3 需要进一步研究的问题  144-145
攻读博士学位期间完成的主要论文及研究成果  145-146
攻读硕士学位期间参加的科研项目  146-147
致谢  147

行波型超声波电机的模型仿真与试验研究

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