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基于多层压电陶瓷的低压驱动超声电机

作　者: 孟祥宇
导　师: 褚祥诚
学　校: 清华大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 共烧多层压电陶瓷超声电机驻波行波有限元
分类号: TM359.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

航空航天、微电子和光电子、武器装备等高新技术领域对电机性能的要求日益增加。传统的电磁电机已不能满足这些特殊场合的需求。在这一背景下,世界各国都在研究新一代的电机。其中压电超声电机具有效率高、结构简单、微型化等优点,近二十年来得到了快速的发展并有许多成功应用。然而普通超声电机驱动电压一般较高,且驱动电路复杂,需配合变压器使用,对器件整体的轻型化和微型化极为不利,制约了超声电机的发展。因此,降低驱动电压,简化激励方式成为了超声电机领域内的研究热点。本论文完成了基于多层压电陶瓷的超声电机的设计仿真、精密制备及性能测试。在本课题组对行波电机研究的基础上改进研制出新的驻波电机。电机的设计采用圆盘型结构,通过定子齿表面与转子的摩擦进行驱动并可通过弹簧调节二者间的预压力。采用四块多层压电陶瓷作为激励元件,其纵向位移被放大为定子齿的横向位移。以定子齿的横向位移放大率为评测标准,分别选择了B03和B02为电机的最佳工作模态。多层压电陶瓷的制备使用干法流延多层叠印技术,所用低烧瓷料为Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-Pb(Ni_1/3Nb_2/3)O₃-Pb（ZrTi）O₃。电机金属部件的加工使用数控精雕技术,用CAD作图和输出刀具路径,通过设计装卡进行定位以完成工件的两面加工。所用材料为标准59号黄铜,卡具材料为有机玻璃。制备多批电机分别测试优化,最终确定的电机中定子齿高1mm,圆盘厚0.3mm,总体尺寸为φ9mm×16mm。使用多普勒激光测振仪进行扫频实验,得到定子纵向振动速度的频谱,进而得到电机各振动模态的谐振频率。实验表明精密加工后的样机模态纯净,与理论设计相符。研究预压力、驱动电压等因素对电机输出力矩的影响,实验表明电机空载时在5V_p-p即可起动,最佳预应力为1.8N,起最佳工作电压为15V_p-p,输出力矩为1.2mNm。专利查新和项目专家组验收表明,本研究的结构原理和5Vp-p低电压驱动性能达到了国内领先水平。

全文目录

摘要  2-3
Abstract  3-7
第1章引言  7-21
  1.1 超声电机基本概念  7-8
  1.2 超声电机的应用  8-11
  1.3 超声电机的发展历史及研究现状  11-17
  1.4 超声电机存在的问题  17-19
  1.5 本文研究的目的、内容及意义  19-21
第2章超声电机的振动模态  21-29
  2.1 均匀梁的弯曲振动  21-25
  2.2 均匀梁的伸缩振动  25-28
  2.3 定子圆盘表面振动  28
  2.4 本章小结  28-29
第3章低压超声电机的设计及制备  29-46
  3.1 圆盘型行波电机的设计  29-32
    3.1.1 行波电机结构设计  29-30
    3.1.2 行波电机驱动原理  30-32
  3.2 圆盘型驻波电机的设计  32-37
    3.2.1 行波电机存在的问题以及驻波电机的提出  32-34
    3.2.2 驻波电机的结构设计  34-35
    3.2.3 驻波电机的驱动原理  35-36
    3.2.4 定子齿端面运动分析  36-37
  3.3 电机结构件的制备  37-40
  3.4 样机装配  40-41
  3.5 共烧多层压电陶瓷的设计及制备  41-45
  3.6 本章小结  45-46
第4章低压超声电机的性能测试  46-55
  4.1 共烧多层压电陶瓷的测试  46-49
    4.1.1 电压-位移曲线  46-48
    4.1.2 压电常数  48
    4.1.3 断面微观形貌  48-49
  4.2 行波电机的测试  49-50
  4.3 驻波电机的测试  50-54
    4.3.1 激光扫频实验  50-52
    4.3.2 红外测温实验  52
    4.3.3 输出力矩实验  52-54
  4.4 本章小结  54-55
第5章结论  55-57
参考文献  57-60
致谢  60-61
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  61

基于多层压电陶瓷的低压驱动超声电机

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