环形行波型超声波电机定子振动特性研究

论文摘要

超声波电机(Ultrasonic Motor,简称USM)是一种全新概念的微电机,它利用压电陶瓷的逆压电效应,使定子产生超声频率范围内的振动,然后通过定子、转子之间的摩擦获得运动和转矩。USM具有体积小、结构紧凑、低速大扭矩、响应快、重量轻、低噪声、无电磁干扰、可直接驱动等优点,已成为国内外研究的热点,在航空航天、医疗器械、微机电系统等领域中具有广阔的应用前景。由于发展历史较短,超声波电机理论模型和设计方法仍存在许多不完善之处,需要做更多深入的研究。本论文以环形行波型超声波电机为研究对象,对定子一转子接触界面的摩擦接触机理和定子结构对超声波电机工作性能的影响进行了详细的分析。论文的主要内容如下:第一章对超声波电机的发展历史和研究现状进行了综述,并在分析目前存在问题的基础上指出了本课题的研究意义和主要研究内容。第二章对压电效应、压电陶瓷以及环形行波型超声波电机的结构特点和运行机理进行了介绍,建立了定子的一维振动模型。第三章针对行波型超声波电机的摩擦界面,研究了超声波电机定转子接触界面质点的运动特性,建立了定转子接触界面的摩擦驱动模型,研究了负载大小与转子转速的关系。第四章采用ANSYS对超声波电机定子进行了振动模态有限元分析,研究了定子结构参数对定子动态特性的影响,进行了定子模态混叠的分离,为电机结构的优化和设计提供理论基础。第五章是全文的总结,介绍了本论文的研究成果,并指出了有待进一步深入研究的问题。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声波电机的发展概况
• 1.3 超声波电机的分类和存在的问题
• 1.4 超声波电机的应用
• 1.5 超声波电机的研究现状
• 1.6 论文的研究意义和主要研究内容
• 1.7 本章小结
• 2. 超声波电机的结构及工作原理
• 2.1 引言
• 2.2 压电效应与压电陶瓷
• 2.2.1 压电效应与逆压电效应
• 2.2.2 压电陶瓷
• 2.2.3 压电方程
• 2.3 环形行波型超声波电机的结构特点
• 2.4 环形行波型超声波电机的运行机理
• 2.4.1 定子中产生行波的条件
• 2.4.2 定子表面质点椭圆运动轨迹的形成
• 2.4.3 影响转子转速因素
• 2.5 环形定子的一维振动模型
• 2.6 本章小结
• 3. 环形行波型超声波电机接触模型分析
• 3.1 引言
• 3.2 定转子摩擦界面质点的运动特性
• 3.3 定转子接触面摩擦驱动模型
• 3.3.1 定转子线弹性摩擦驱动模型
• 3.3.2 超声波电机的输出特性
• 3.3.3 负载与转子转速之间的关系
• 3.4 本章小结
• 4. 环形行波型超声波电机的有限元分析
• 4.1 引言
• 4.2 定子有限元分析模型
• 4.2.1 有限元法及ANSYS简介
• 4.2.2 超声波电机定子的有限元建模
• 4.3 定子的有限元模态分析及最优模态选择
• 4.3.1 超声波电机振动模态有限元分析数学模型
• 4.3.2 定子振动模态有限元分析
• 4.3.3 工作模态选择
• 4.4 超声波电机定子结构参数对动态特性的影响
• 4.4.1 定子基体厚度对定子固有频率的影响
• 4.4.2 定子齿高对定子固有频率的影响
• 4.4.3 定子齿厚对定子固有频率的影响
• 4.4.4 定子等效半径对定子固有频率的影响
• 4.4.5 定子内、外径比对定子固有频率的影响
• 4.5 定子模态混叠的分离
• 4.5.1 定子结构参数对模态混叠现象的影响
• 4.5.2 模态混叠的分离
• 4.6 本章小结
• 5. 总结与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文