液体媒质超声波电机有限元分析及运行特性研究

论文摘要

超声波电机是一种新型电机,利用压电材料的逆压电效应实现电能到机械能的转换。根据电机定子和转子间能量传递方式,超声波电机分为接触型和非接触型。接触型超声波电机定、转子直接接触,具有大力矩、低转速、无噪声、抗电磁干扰和响应速度快等优良性能,在航空航天、微型机械、机器人、自动控制系统等领域有着广泛的应用前景,但由于定、转子之间的摩擦,电机具有使用寿命短、不能连续长时间运行等缺点。非接触型超声波电机定子和转子不直接接触,有效地克服了接触型超声波电机因接触摩擦引起的缺点,是超声波电机领域一个新的研究方向。液体媒质超声波电机是利用液体媒质完成能量传递的非接触型超声波电机,液体媒质在定子环内,转子浸于液体媒质之中,定子振动产生的能量通过液体间接传递给转子,从而驱动转子旋转,可以通过控制液体媒质的参数获得不同的运行特性。本文的主要内容包括:(1)介绍了液体媒质超声波电机的基本结构及运行机理,阐述了定子上驻波的产生及行波的合成,分析了液体媒质超声波电机利用声流传递能量的基本过程,对声流场进行了理论解析。(2)利用有限元方法研究了液体媒质超声波电机定子的振动模态、谐振频率和接触面质点振动幅值、运动轨迹等问题,分析了外激励方式对定子振动的影响,利用声场和定子的耦合方程,研究了液体媒质的负载效应。(3)通过非线性声场分析、驱动力计算和流场分析,解决了液体媒质超声波电机声流场仿真问题,研究了声场衰减和定子驱动电压等对声流驱动力、声流速的影响,分析了饱和流速产生的原因。(4)在声流场分析基础上,研究了驱动电压、液体和转子参数对液体媒质超声波电机转速特性的影响。利用弹簧和质量块系统模拟牛顿剪切力对转子的作用,提出了转子稳定性分析模型,在电机转轴不固定的条件下,转子的振动频率可作为其稳定性的量度,据此研究了各种运行条件下的转子稳定性问题。(5)根据液体媒质超声波电机等效电路和转速–频率特性,分析了驱动电压和等效电路中串联支路电流的相位差与电机运行状态的关系,提出了基于频率跟踪的转速辨识策略。建立了液体媒质超声波电机模糊控制系统,模糊控制单元根据转速误差信号及其变化量调节驱动信号频率,以跟踪给定转速信号。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声波电机简介
• 1.2.1 超声波电机的发展历史
• 1.2.2 超声波电机的分类
• 1.2.3 超声波电机的应用
• 1.3 超声波电机的研究现状
• 1.3.1 接触型超声波电机的研究现状
• 1.3.2 非接触型超声波电机的研究现状
• 1.4 论文研究内容
• 1.4.1 液体媒质超声波电机的主要问题
• 1.4.2 研究内容
• 第二章 液体媒质超声波电机结构与运行机理
• 2.1 压电陶瓷
• 2.1.1 主要参数
• 2.1.2 振动模态
• 2.2 液体媒质超声波电机结构
• 2.3 液体媒质超声波电机运行机理
• 2.3.1 压电振动的产生
• 2.3.2 声流场分析
• 2.4 超声波电机等效电路
• 2.4.1 等效电路
• 2.4.2 等效电路参数辨识
• 2.5 本章小结
• 第三章 液体媒质超声波电机定子振动分析
• 3.1 引言
• 3.2 定子振动分析
• 3.2.1 定子振动有限元分析原理
• 3.2.2 定子振动模态分析
• 3.2.3 定子振动谐响应分析
• 3.2.4 定子振动动态响应分析
• 3.2.5 压电陶瓷厚度对振动的影响
• 3.3 液体媒质负载效应的研究
• 3.3.1 负载效应有限元分析原理
• 3.3.2 负载效应分析结果
• 3.4 外激励方式的研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 液体媒质超声波电机声流场分析
• 4.1 引言
• 4.2 非线性声场分析
• 4.2.1 非线性声场有限元分析原理
• 4.2.2 非线性声场分析结果
• 4.3 声流驱动力
• 4.3.1 驱动力定义
• 4.3.2 驱动力分析结果
• 4.4 流场分析
• 4.4.1 流场有限元分析原理
• 4.4.2 流场分析结果
• 4.5 饱和流速
• 4.5.1 饱和流速理论分析
• 4.5.2 饱和流速有限元法分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 液体媒质超声波电机转速特性及转子稳定性研究
• 5.1 引言
• 5.2 转速特性的实验研究
• 5.3 转子稳定性研究
• 5.3.1 转子稳定性研究模型
• 5.3.2 转子稳定性实验研究
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于频率跟踪的液体媒质超声波电机转速控制系统
• 6.1 引言
• 6.2 转速检测原理
• 6.2.1 转速直接检测原理
• 6.2.2 转速间接检测原理
• 6.3 液体媒质超声波电机转速辨识原理
• 6.4 转速模糊控制系统
• 6.4.1 模糊控制器设计
• 6.4.2 控制系统设计
• 6.4.3 实验结果
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢