行波超声电机温度特性的探索研究

论文摘要

超声电机是采用压电材料驱动的不同于传统电磁电机的一种新型电机。它具有响应快、可以直接驱动、定位精度高、低速大扭矩、断电自锁、不受磁场干扰等优点,在航空航天、半导体制造、工业自动化、民用、生物技术等领域具有广阔的应用前景。现行的超声电机理论研究大多未考虑电机工作温升带来的影响,这使理论研究与实际情况有一定的差距。本文选用旋转型行波超声电机TRUM-60作为研究对象,在一定的假设条件的基础上,进行了超声电机的温度特性研究。从超声电机的温度特性实验入手,从动力学角度建立超声电机发热量的理论模型,并用ANSYS仿真其温度场的分布。主要研究内容和研究成果如下:1.进行了旋转型行波超声电机的温度特性的实验,得到了超声电机的预压力、摩擦材料厚度、硬度等参数与电机工作为温升的关系,分析了超声电机发热的主要热源;2.通过实验研究了超声电机的工作温升对其机械特性的影响规律;3.设计了超声电机的热工作能力实验,测试了电机可以正常工作的温度区间,研究了电机的高温失效情况;4.以实验为指导,从动力学角度出发,建立了超声电机发热量的理论模型,分析了影响电机工作温升的主要参数;5.用ANSYS热分析模块对发热源温度场分布梯度作了仿真,将实验结果、理论计算和仿真结果作了比较;

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声电机概况
• 1.2 超声电机的发展
• 1.3 超声电机目前存在的不足
• 1.4 旋转型行波超声电机的运行机理
• 1.5 旋转型行波超声电机的能量转化
• 1.6 超声电机发热机理研究的重要性及国内外研究现状
• 1.7 超声电机热量产生途径和研究方法
• 1.8 本论文主要工作
• 第二章 旋转型行波超声电机的温度特性实验
• 2.1 传热学基础
• 2.1.1 热量传递的基本方式
• 2.1.2 传热过程与热阻
• 2.1.3 导热理论
• 2.2 定子扫频实验
• 2.3 行波超声电机的温度特性实验
• 2.3.1 压电陶瓷片发热量和摩擦发热量的比较实验
• 2.3.2 预压力、摩擦材料厚度与温升关系实验
• 2.3.3 预压力、摩擦材料厚度对机械特性影响实验
• 2.3.4 温升和堵转力矩回归公式
• 2.3.5 实验中堵转力矩的变化
• 2.3.6 摩擦材料的硬度与电机温升的关系
• 2.3.7 超声电机热工作能力实验
• 2.3.8 超声电机动态导纳测量
• 2.4 本章小结
• 第三章 旋转型行波超声电机的发热量模型
• 3.1 定子导热微分方程
• 3.2 压电陶瓷片发热模型
• 3.3 定子形变产生的热量
• 3.4 定转子摩擦产生的热量
• 3.5 实验结果与理论计算对比
• 3.6 本章小结
• 第四章 温度场仿真
• 4.1 ANSYS 中的热力学分析
• 4.1.1 三类边界条件
• 4.1.2 初始条件
• 4.1.3 热载荷
• 4.1.4 线性与非线性热分析
• 4.1.5 热分析单元
• 4.2 定子温度场仿真
• 4.3 摩擦温度场仿真
• 4.3.1 耦合场分析
• 4.3.2 摩擦生热分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文主要贡献
• 5.2 进一步研究预想
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文