纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机理论与实验研究

论文摘要

超声电机是近三十年发展起来的一种新型驱动器,具有结构简单、设计灵活、低速大转矩、响应快、无电磁干扰等优点,受到国内外的广泛关注,并在众多领域得到应用,其中对行波超声电机研究的最多,并且应用最广。传统的圆环型行波超声电机定转子之间的接触状态为动态的点面接触,造成其输出力矩低。另外这种类型的电机将陶瓷片粘在定子齿的背面,通常陶瓷片都比较薄,能量转换能力有限,也限制了电机的输出力矩。针对传统行波电机的上述缺点,本文提出了一种纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机,一方面将定转子之间的动态点面接触改为线面接触,另一方面采用两对纵振夹心换能器激发圆筒的弯振模态。本文首先介绍了换能器式圆筒型超声电机的基本结构,并对圆筒型定子进行理论分析,从圆柱壳体的振动微分方程出发,通过给定边界条件和初始条件,求解出圆柱壳体振动的特征频率,为此类电机的设计提供初始参数。推导出了弹性体中弯曲行波的方程、激励条件以及定子齿面质点的运动轨迹方程,在理论层面验证该结构电机的可行性。以理论计算得到的初始参数为基础,采用有限元软件ANSYS10.0设计了振动模态相互匹配的圆筒型定子和换能器。在此基础上,对电机整体建模,先通过模态分析,得到整个电机定子的振型和特征频率,然后通过瞬态分析,得到齿端质点的运动轨迹,在仿真层面上验证了该结构电机的可行性,最终确定电机的结构参数,并且根据仿真结果发现了该构型电机行波畸变现象,初步分析其产生的原因,提出了改善行波波形质量的方法。在理论分析的基础上,制作了纵振夹心换能器式行波超声电机的实验样机,搭建了实验平台,测试了超声电机的机械输出性能,验证了理论分析结果的正确性。并结合样机的制作过程分析了影响电机运转的不利因素。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 超声电机的概述
• 1.2.1 超声电机的工作机理
• 1.2.2 超声电机的特点
• 1.2.3 超声电机的分类
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 行波超声电机的研究方向
• 1.5 传统环形行波超声电机存在的问题
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 第2章 纵振夹心换能器式圆筒超声电机理论分析
• 2.1 引言
• 2.2 电机的基本结构
• 2.3 电机定子的振动特性分析
• 2.3.1 圆柱壳体的基本假设
• 2.3.2 圆柱壳体的振动分析
• 2.4 电机的运行机理
• 2.4.1 弯曲振动行波的形成
• 2.4.2 定子齿表面质点的运动轨迹分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 纵振夹心换能器式圆筒超声电机有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 圆筒型定子的结构设计
• 3.2.1 定子基体振动模态的选择
• 3.2.2 定子齿在驱动中的作用及设计原则
• 3.2.3 圆筒型定子有限元模型的建立
• 3.2.4 定子圆筒各参数的灵敏度分析
• 3.3 纵振夹心式换能器的设计
• 3.3.1 纵振夹心式换能器的结构及特点
• 3.3.2 换能器材料的选择
• 3.3.3 夹心式换能器的理论分析与设计
• 3.3.4 纵振夹心换能器的仿真分析
• 3.4 超声电机的有限元建模与分析
• 3.4.1 超声电机的模态分析
• 3.4.2 超声电机的谐响应分析
• 3.4.3 超声电机的瞬态分析
• 3.5 电机定子结构尺寸的确定
• 3.6 定子行波波形质量分析及其影响因素
• 3.6.1 行波波形质量分析
• 3.6.2 影响因素分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 纵振夹心换能器式圆筒超声电机实验研究
• 4.1 引言
• 4.2 超声电机的样机及实验装置的建立
• 4.2.1 圆筒型行波超声电机的样机
• 4.2.2 实验装置的建立
• 4.3 电机定子的阻抗测试与阻抗匹配设计
• 4.3.1 超声电机的阻抗匹配设计
• 4.3.2 阻抗特性结果分析
• 4.4 电机的运行性能测试
• 4.4.1 频率-转速特性测试
• 4.4.2 电压-转速特性测试
• 4.4.3 转矩-转速特性测试
• 4.4 电机运行性能的影响因素分析
• 4.4.1 合成行波振动中存在驻波成分
• 4.4.2 定转子之间接触情况对电机运行的影响
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢