纵扭复合型超声波电机的设计制作与实验研究

论文摘要

超声波电机(Ultrosonic Motor)是近二十年发展起来的一种新型电机,其原理不同于传统的电磁型电机,它是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动,借助弹性体谐振放大,通过摩擦耦合产生旋转运动或直线运动。其显著特点是低转速、大力矩、结构简单、可用于直接驱动、电磁兼容性好并具有断电自锁等功能,已在某些特殊领域取得一席之地。超声波电机的形式多种多样,小型化和大力矩是其发展的两个重要方向。其中纵扭复合型超声波电机以其输出力矩大而具有良好的发展前景。本文以纵扭复合型超声波电机为研究对象,对其驱动机理、设计理论、频率简并以及电机特性等进行较为系统的研究。本文开展的研究工作和取得的成果如下:1、首先回顾了国内外超声波电机的发展历史,介绍了超声波电机的特点、分类和基本原理;重点介绍纵扭复合型超声波电机的特点、发展简史以及国内外的研究状况。2、介绍纵扭复合型超声波电机相关基础理论,分析纵扭复合型超声波电机椭圆轨迹的形成,给出了该类电机的驱动机理。3、利用电机机电等效模型,介绍纵扭复合型超声波电机纵振子和扭振子在单独激励情况下的谐振频率方程;在此基础上我们提出了一种新的计算方法,这种方法以扭振子的谐振频率为设计频率,兼顾纵振子的谐振频率。通过对两种模型计算结果的分析比较,得出了一套新的设计纵扭复合型超声波电机的理论计算方法。4、分析了电机纵、扭频率简并的问题。提出了增加纵振压电陶瓷晶堆厚度的方法来解决电机的纵振子工作于非谐振状态以至振幅过小、预紧力太小的问题。这种方法对电机纵、扭频率简并也起到了一定的作用,理论计算与实验结果基本吻合。5、通过对超声波电机的驱动频率、驱动电压以及定转子间的预压力进行实验研究,得出了纵扭复合型超声波电机的驱动频率、驱动电压以及定转子间预压力对电机输出特性的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声波电机的发展简史、基本原理、特点和分类
• 1.2.1 超声波电机的发展简史
• 1.2.2 超声波电机的基本原理
• 1.2.3 超声波电机的特点
• 1.2.4 超声波电机的分类
• 1.3 驻波型超声波电机的特点和分类
• 1.3.1 驻波型超声波电机的特点
• 1.3.2 驻波型超声波电机的分类和发展简史
• 1.4 纵扭复合型超声波电机在国内外的研究状况
• 1.4.1 国外纵扭复合型超声波电机的研究现状
• 1.4.2 国内纵扭复合型超声波电机的研究现状
• 1.5 本文的研究内容
• 第二章 纵扭复合型超声波电机的运行机理
• 2.1 序言
• 2.2 定子表面质点椭圆振动轨迹的形成
• 2.3 纵扭复合型超声波电机的驱动机理
• 第三章 纵扭复合型超声换能器的设计
• 3.1 压电陶瓷
• 3.1.1 压电陶瓷材料的选取
• 3.1.2 纵、扭压电陶瓷片的极化
• 3.2 纵扭复合型超声波电机纵、扭振动模型一
• 3.2.1 纵扭复合型超声波电机纵振动的数学模型
• 3.2.2 纵扭复合型超声波电机扭振动的数学模型
• 3.3 纵扭复合型超声波电机纵、扭振动模型二
• 3.3.1 夹心式纵向振动的数学模型
• 3.3.2 夹心式扭转振动的数学模型
• 3.4 纵扭复合型超声波电机定子尺寸的计算
• 3.4.1 采用模型一的定子尺寸计算
• 3.4.2 采用模型二的定子尺寸计算
• 3.5 纵扭复合型超声波电机的频率简并
• 3.6 纵扭复合型超声波电机结构方案设计图
• 3.7 本章小结
• 第四章 纵扭复合型超声波电机驱动电源设计
• 4.1 总体设计方案
• 4.2 升压方案选择与变压器设计
• 4.2.1 升压方案的选择
• 4.2.2 开关变压器设计
• 4.3 逻辑电路与开关电路硬件设计
• 4.3.1 90°移相电路设计
• 4.3.2 脉冲产生电路
• 4.3.3 开关管电路
• 4.4 匹配电路调试
• 4.5 驱动电源的性能
• 第五章 纵扭复合型超声波电机的实验研究与分析
• 5.1 实验目的和实验内容
• 5.2 纵扭复合型超声波电机的实验测试曲线
• 5.2.1 加压情况下，驱动频率与电机转速的关系
• 5.2.2 加压情况下，电机转矩与转速的关系
• 5.2.3 预压力与电机转速的关系
• 5.2.4 驱动电源输入电压与电机转速的关系
• 5.2.5 纵振压电陶瓷晶堆厚度对电机输出特性的影响
• 5.3 实验结果分析
• 5.3.1 驱动频率分析
• 5.3.2 定转子间预压力分析
• 5.3.3 驱动电源输入电压对电机输出特性的影响
• 5.3.4 不同厚度的纵振压电陶瓷晶堆对电机性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 全文总结
• 6.1 本文结论
• 6.2 今后研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢