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悬臂弯振换能器式圆筒型行波超声电机的研究

作　者: 董慧军
导　师: 刘军考
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 超声电机圆筒型定子弯振换能器悬臂圆柱形转子
分类号: TM359.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

超声电机是最近三十年发展起来的一种新型的驱动器,其工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应,将材料的微观变形通过共振放大和摩擦运动转化成转子的宏观运动。由于超声电机具有结构简单、设计灵活、低速大转矩、响应快、无电磁干扰等优点,受到国内外研究者的广泛关注,其中对行波超声电机的研究最多,并且应用最广。本文介绍了一种新型结构的行波超声电机,采用夹心式弯振换能器对压电陶瓷产生的超声振动进行放大,通过悬臂将放大后的振动传递到定子圆筒上,定子圆筒上有起进一步振幅放大作用的齿,这些齿在定子圆筒产生的行波作用下,生成椭圆形轨迹,驱动转子产生宏观运动。本文介绍的行波超声电机具有以下特点:1、采用夹心换能器激发圆筒的弯振模态,能量密度高;2、将定转子之间的动态点面接触改为线面接触,增大接触面积,提高输出力;3、采用压电陶瓷的d33模式,可以提高机电转化效率。本文还设计了与圆筒型超声电机定子配套的圆柱形转子,该转子可以实现定子与转子之间预紧力的调节,可以对定子与转子之间的间隙自动补偿,解决了圆筒型超声电机工作时由于摩擦使得定子与转子之间产生间隙的问题。本文首先对换能器式圆筒型超声电机的基本结构进行介绍,并对圆筒型定子进行理论分析,推导出了弹性体中弯曲行波的方程,在理论层面验证该结构电机的可行性。接着本文以理论计算得到的初始结构参数为基础,采用有限元分析软件ANSYS10.0设计了振动模态相互匹配的圆筒型超声电机定子和换能器。然后在此基础上,对超声电机进行整体建模,通过模态分析,得到整个超声电机定子的模态振型和特征频率,然后通过瞬态分析,得到齿端质点的运动轨迹,在仿真层面上验证了该结构超声电机的可行性。在理论分析的基础上,制作了悬臂弯振夹心换能器式行波超声电机的实验样机,搭建了实验平台,测试了超声电机的机械输出性能,验证了该结构超声电机的可行性。并结合样机的制作过程和测试数据分析了影响电机运转的不利因素。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-21
  1.1 引言  10-11
  1.2 超声电机的概述  11-15
    1.2.1 超声电机的工作机理  11
    1.2.2 超声电机的特点  11-12
    1.2.3 超声电机的分类  12-15
  1.3 国内外研究现状  15-17
    1.3.1 国外研究现状  15-16
    1.3.2 国内研究现状  16-17
  1.4 行波超声电机的研究方向  17-18
  1.5 传统环形行波超声电机存在的问题  18-19
  1.6 本课题的主要研究内容  19-21
第2章弯振夹心换能器式圆筒超声电机理论分析  21-35
  2.1 引言  21
  2.2 电机的基本结构  21-25
    2.2.1 电机定子结构  22-24
    2.2.2 电机转子结构  24-25
  2.3 电机定子的振动特性分析  25-30
    2.3.1 圆柱壳体的基本假设  27
    2.3.2 圆柱壳体的振动分析  27-30
  2.4 电机的运行机理  30-34
    2.4.1 弯曲振动行波的形成  30-32
    2.4.2 定子齿表面质点的运动轨迹分析  32-34
  2.5 本章小结  34-35
第3章弯振夹心换能器式圆筒超声电机有限元分析  35-58
  3.1 引言  35
  3.2 圆筒型定子的设计  35-39
    3.2.1 定子基体振动模态的选择  35-37
    3.2.2 定子齿在驱动中的作用及设计原则  37-38
    3.2.3 圆筒型定子有限元模型的建立  38-39
    3.2.4 定子圆筒各参数的灵敏度分析  39
  3.3 悬臂弯振夹心式换能器的设计方法  39-45
    3.3.1 材料的选择  41-42
    3.3.2 夹心式换能器的振动模态的选择  42-44
    3.3.3 弯振夹心换能器的仿真分析  44-45
  3.4 超声电机的结构参数确定与有限元分析  45-55
    3.4.1 换能器和定子圆筒结构参数的确定  47-49
    3.4.2 悬臂梁的有限元分析和尺寸确定  49-52
    3.4.3 超声电机的模态分析  52
    3.4.4 超声电机的谐响应分析  52-53
    3.4.5 超声电机的瞬态分析  53-55
  3.5 定子行波波形质量分析及其影响因素  55-57
    3.5.1 行波波形质量分析  55-56
    3.5.2 影响因素分析  56-57
  3.6 本章小结  57-58
第4章弯振夹心换能器式圆筒超声电机实验研究  58-68
  4.1 引言  58
  4.2 超声电机的样机及实验装置的建立  58-60
    4.2.1 圆筒型行波超声电机的样机  58-59
    4.2.2 实验装置的建立  59-60
  4.3 电机定子的阻抗测试与阻抗匹配设计  60-62
    4.3.1 超声电机的阻抗匹配设计  60-62
    4.3.2 阻抗特性结果分析  62
  4.4 电机的定子振型测试  62-64
  4.5 电机的运行性能测试  64-65
    4.5.1 频率-转速特性测试  64
    4.5.2 电压-转速特性测试  64-65
    4.5.3 转矩-转速特性测试  65
  4.6 电机运行性能的影响因素分析  65-67
    4.6.1 合成行波振动中存在驻波成分  65-66
    4.6.2 定转子之间接触情况对电机运行的影响  66-67
  4.7 本章小结  67-68
结论  68-70
参考文献  70-77
致谢  77

悬臂弯振换能器式圆筒型行波超声电机的研究

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