斜槽式径扭模态转换型超声电机的设计与实验研究

论文摘要

超声电机是20世纪80年代发展起来的一种新型驱动电机。由于它具有结构简单、低噪声、不受电磁场干扰、相应速度快、控制性能好和断电自锁等优点,使超声电机在光学仪器、航空航天、民用产品、汽车、工业控制等领域得到广泛的应用。目前已经成为全球性的研究课题,诸多国家都投入了大量了人力和财力。本文研究的斜槽式径扭模态转换型超声电机与其他类型的超声电机相比,具有加工容易、单相激励、仅需单片压电陶瓷的特点。本文通过建立理论模型、有限元分析和实验验证的方法,详细地研究了此类型电机。对电机样机进行安装和实验,其结果表明电机具有良好的运行性能,达到了预期的目标。具体的研究内容如下:1、详细地阐述了斜槽式径扭模态转换型超声电机的驱动原理,通过理论模型导出了电机驱动端某质点形成的椭圆方程,以及使用图解法叙述了该质点在一个周期内的运行轨迹。2、给定压电陶瓷片的尺寸,根据其径向振动理论知识得出共振基频,通过有限元分析验证其基频,给定定子的整体尺寸,根据薄板(圆形和圆环形)振动理论得出定子共振基频,使用有限元分析确立了斜槽中心和孔中心的位置,对定子的整体进行模态分析,读出不同斜槽数量和角度所对应定子共振基频,观察共振基频图和位移变形图,介绍了压电陶瓷片和金属盖板的安装方法。3、对电机样机进行了实验,分析了电机的驱动电压,激励频率以及定子与转子之间的预压力与电机运行速度的关系,以及对电机实验结果的分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声电机的发展概况、驱动原理、特点、分类和应用
• 1.2.1 超声电机的发展概况
• 1.2.2 超声电机的驱动原理
• 1.2.3 超声电机的特点
• 1.2.4 超声电机的分类
• 1.2.5 超声电机的应用
• 1.3 国内外模态转换型超声电机的研究状况
• 1.3.1 国外模态转换型超声电机的研究状况
• 1.3.2 国内模态转换型超声电机的研究状况
• 1.4 课题来源及本文的研究内容
• 第二章 压电振子的基础知识及薄板的振动特性
• 2.1 压电振子的基础知识
• 2.1.1 压电效应与逆压电效应
• 2.1.2 压电方程
• 2.1.3 压电陶瓷振子的振动模式
• 2.2 圆环板的振动特性
• 2.2.1 圆环变形分析
• 2.2.2 圆环板的径向振动
• 2.3 圆板的振动特性
• 2.4 本章小结
• 第三章 斜槽式径扭模态转换型超声电机的运行机理
• 3.1 斜槽式径扭模态转换型超声电机的椭圆运动分析
• 3.1.1 斜槽式径扭模态转换型超声电机的驱动原理
• 3.1.2 定子驱动端面质点椭圆轨迹的形成
• 3.2 本章小结
• 第四章 斜槽式径扭模态转换型超声电机的研究与设计
• 4.1 斜槽式径扭模态转换型超声电机定子的设计
• 4.1.1 压电陶瓷片的设计
• 4.1.1.1 压电陶瓷片的选择
• 4.1.1.2 压电陶瓷片的理论计算
• 4.1.1.3 压电陶瓷片的模态分析
• 4.1.2 定子结构的设计
• 4.1.3 斜槽与孔中心位置的确定
• 4.1.4 定子的有限元分析
• 4.2 电机定子的装配
• 4.3 电机整体的设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 斜槽式径扭模态转换型超声电机的实验及分析
• 5.1 实验目的与实验内容
• 5.2 高频驱动电源
• 5.3 样机的制作与安装
• 5.4 电机样机的实验研究与分析
• 5.4.1 激励频率与速度的关系
• 5.4.2 预压力与速度的关系
• 5.4.3 驱动电压与速度的关系
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 全文总结
• 6.2 今后研究中尚待解决的问题
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢