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基于超声波悬浮技术的电机转子支撑结构设计及转子动力学研究

作　者: 刘磊
导　师: 杨志刚
学　校: 吉林大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 超声波悬浮 压电换能器 挤压膜 转子
分类号: TM303.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


超声波悬浮技术是一种利用高频振动实现物体悬浮支撑的技术，由于其具有非接触、摩擦和磨损小、无需润滑、结构简单等优点，因此在高速旋转机械、精密陀螺、飞轮储能等领域具有广泛的应用前景。本文结合国家自然科学基金项目“超声波支承高速电机（项目编号：50977037）”，构造用于支承电机转子的超声波悬浮支撑结构，并研究转子在超声波悬浮支撑条件下的动力学特性。本文通过理论解析、有限元计算以及实验测试等方法对超声波近场悬浮机理进行了研究，针对转子两端受锥面支撑并且竖直布置的结构方案，设计制作了锥型双向支承的超声波悬浮支撑结构，并对电机转子的运行情况进行了初步的试验研究。本文主要研究内容如下:1.介绍压电材料的相关理论，分析压电振子的基本振动模式，通过机电等效方法分析压电振子的谐振特性，讨论了与能量转换过程相关的性能参数。在此基础上建立压电式超声换能器的机电等效模型，讨论影响换能器有效发射功率的因素，包括换能器的振动模态、各组成部分的材料、前后盖板的振速比等，为下一步的研究奠定基础。2.为进一步了解超声波近场悬浮作用的机理，建立了超声波悬浮支撑的声辐射力模型和气体挤压膜悬浮模型。采用理论分析和实验测试的方法得到悬浮间隙与承载能力的关系，并对两种模型的计算结果进行了比较，通过比较发现气体挤压膜悬浮模型更适合小悬浮间隙条件下悬浮力的计算。通过对气体挤压膜悬浮模型进行瞬态分析，获得悬浮间隙内的动压力变化情况，并经过周期平均处理得到悬浮力时间平均值；通过解析推导和数值计算获得了等效挤压数以及振动幅值比对超声波悬浮能力的影响规律，分析间隙气膜刚度、阻尼等力学效果与超声波振动之间的关系，为超声波悬浮支撑结构的设计与性能分析提供理论依据。3.通过实验和有限元方法测量和分析了圆锥辐射面压电换能器的谐振频率和振动模态。对圆锥型超声波悬浮支撑结构的性能进行分析和测试，获得了悬浮力与悬浮间隙之间的关系。从理论上分析了在超声波悬浮支撑条件下，悬浮间隙变化对于电机转子临界转速与振动模态的影响情况，设计制作了用于支承电机转子的超声波悬浮支撑结构，研究电机转子在超声波悬浮支撑条件下的运行情况，测试悬浮间隙与电机转子最高转速的关系，经研究发现通过减小悬浮间隙，能够增强间隙气膜的刚度支撑效果，并提高转子的最高转速。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 前言  10
  1.2 超声波特点与应用  10-11
  1.3 超声波悬浮技术的应用  11-15
  1.4 本文主要的研究内容  15-18
第2章 压电基础与压电式超声换能器  18-32
  2.1 压电基础  18-23
    2.1.1 压电效应  18-20
    2.1.2 压电振子基本振动模式  20
    2.1.3 压电振子机电等效图  20-22
    2.1.4 能量转化的性能参数  22-23
  2.2 压电式超声换能器——郎之万换能器  23-31
    2.2.1 基本结构  24
    2.2.2 机电等效电路  24-29
    2.2.3 谐振频率方程  29-30
    2.2.4 影响有效发射功率的因素  30-31
  2.3 本章小结  31-32
第3章 超声波悬浮机理的研究  32-54
  3.1 声辐射力的作用  32-38
    3.1.1 非线性声学  33-36
    3.1.2 声辐射力的计算  36-38
  3.2 气体挤压膜悬浮  38-51
    3.2.1 流体动力学与雷诺方程  39-40
    3.2.2 悬浮力的时程分析  40-43
    3.2.3 悬浮力的周期平均值  43-44
    3.2.4 悬浮能力的影响因素  44-48
    3.2.5 刚度与阻尼效果  48-51
  3.3 比较与分析  51-52
  3.4 本章小结  52-54
第4章 电机转子超声波悬浮支撑结构的设计与实验研究  54-68
  4.1 电机转子的超声波悬浮支承方式  54-55
  4.2 圆锥辐射面压电换能器  55-57
  4.3 圆锥型超声波悬浮支撑  57-61
  4.4 超声波悬浮支撑下的转子动力学分析  61-64
  4.5 悬浮支撑结构的设计  64-65
  4.6 转速测试  65-67
  4.7 本章小结  67-68
第5章 结论  68-69
参考文献  69-72
作者简介  72-73
致谢  73

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电机 > 一般性问题 > 电机结构及部件 > 导磁部件
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