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四驱动足纵振复合超声驱动器的研究

作　者: 徐红星
导　师: 陈维山
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 超声驱动器纵振换能器组合模态内嵌PZT
分类号: TM359.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 16次
引　用: 1次
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内容摘要

超声电机由于结构灵活、高精度、响应速度快、无电磁干扰等诸多优点,已成为国内外学者的关注热点。目前理论比较成熟、最具有实用化潜力的旋转超声电机是传统的贴片式行波超声电机和新兴起的换能器式行波超声电机,但二者由于工作原理的限制和结构的缺陷,均存在一定的局限性。本文在分析了上述两类电机弊端的基础上,提出了一种新型的四驱动足纵振复合超声驱动器。该驱动器力求在保留换能器式超声电机利用压电陶瓷d33工作模式的高效率的同时,在结构上突破旋转电机由环形行波驱动的传统思维,将驱动器设计为四个换能器的组合结构,直接在换能器端点设置驱动足驱动转子。该驱动器不仅结构更简单紧凑,而且具备更高的能量转换效率和更大的驱动力矩。对提出的驱动器构型进行理论分析,以考察方案的可行性。从模态分析到模态综合的思路分析了驱动器的复合工作模态;分析了工作模态的激励原理,推导了驱动足质点运动方程,验证了具备良好驱动能力的椭圆轨迹的存在;结合工作模态和驱动足的运动轨迹来考察驱动器在一个振动周期内的致动机理,验证了所有驱动足具备协调一致的驱动能力,从理论上证明了驱动器方案的可行性。借助有限元分析软件进行仿真研究,以确定驱动器的精确尺寸。在理论分析的基础上,通过对纵振换能器的模态分析和瞬态分析,确定其尺寸参数;设计了能满足结构和预紧要求的锯齿形弹簧块,通过静态分析,确定其锯齿参数;最后建立整个驱动器的有限元模型,进行模态分析、瞬态分析、谐响应分析,通过仿真结果确定驱动器各部分的最终尺寸。本文制作了实验样机,并对其进行了阻抗匹配,搭建了实验测试平台,对样机的各项性能进行测试,验证了理论分析和仿真设计的正确性,并针对测量结果与理论和仿真分析的偏差,分析了其原因。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 引言  10
  1.2 超声电机概述  10-13
    1.2.1 超声电机发展简史  10-11
    1.2.2 超声电机的特点  11-12
    1.2.3 超声电机的分类  12-13
  1.3 超声电机研究与应用现状  13-16
    1.3.1 国外超声电机研究与应用现状  13-15
    1.3.2 国内超声电机研究与应用现状  15-16
  1.4 旋转超声电机研究中存在的问题  16-17
  1.5 本文主要研究内容  17-19
第2章四驱动足纵振复合超声驱动器的理论基础  19-34
  2.1 引言  19
  2.2 超声驱动器方案的确定  19-22
    2.2.1 方案制定遵循的原则  19-20
    2.2.2 驱动器结构设计  20-22
  2.3 驱动器振动特性分析  22-27
    2.3.1 矩形金属梁纵振分析  22-24
    2.3.2 矩形金属梁弯振分析  24-26
    2.3.3 驱动器工作振型分析  26-27
  2.4 驱动器致动机理分析  27-33
    2.4.1 工作模态的激励原理  27-28
    2.4.2 驱动足运动轨迹分析  28-31
    2.4.3 驱动器四足驱动机理  31-33
  2.5 本章小结  33-34
第3章四驱动足纵振复合超声驱动器的有限元分析  34-50
  3.1 引言  34
  3.2 超声驱动器材料的选择  34-36
    3.2.1 压电陶瓷材料的选择  34-35
    3.2.2 金属材料的选择  35-36
  3.3 纵振换能器的设计  36-41
    3.3.1 纵振换能器的结构  36-37
    3.3.2 纵振换能器的理论分析  37-39
    3.3.3 纵振换能器的仿真分析  39-41
  3.4 锯齿形弹簧块的有限元分析  41-45
    3.4.1 锯齿形弹簧块的结构设计  41-42
    3.4.2 弹簧块的等效弹性模量  42-44
    3.4.3 等效弹性模量对驱动器工作模态的影响  44-45
  3.5 超声驱动器的有限元分析  45-48
    3.5.1 超声驱动器的模态分析  45-46
    3.5.2 超声驱动器的谐响应分析  46-47
    3.5.3 超声驱动器的瞬态分析  47-48
  3.6 本章小结  48-50
第4章四驱动足纵振复合超声驱动器的实验研究  50-60
  4.1 引言  50
  4.2 实验驱动器样机与和实验装置  50-51
  4.3 驱动器阻抗测试和阻抗匹配设计  51-54
    4.3.1 驱动器阻抗特性测量  51-52
    4.3.2 驱动器的阻抗匹配设计  52-54
  4.4 驱动器振型测试  54-55
  4.5 驱动器的运行性能测试  55-58
    4.5.1 简易实验平台的设计  56
    4.5.2 预紧力-转速性能测试  56-57
    4.5.3 电压-转速特性测试  57
    4.5.4 频率-转速特性测试  57-58
    4.5.5 转矩-转速特性测试  58
  4.6 试验结果分析  58-59
    4.6.1 仿真与实际的差异  58-59
    4.6.2 驱动足驱动能力的差异  59
  4.7 本章小结  59-60
结论  60-61
参考文献  61-66
致谢  66

四驱动足纵振复合超声驱动器的研究

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