圆柱定子弯曲振动超声波电机及电源的设计与实验研究

论文摘要

超声波电机是近二十年来发展起来的一种新型驱动装置,该电机不同于传统的电磁感应电机,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或直线运动。这种电机具有响应快、结构紧凑、低转速、大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点,在微型机械,机器人,精密仪器,家用电机,航空航天,汽车等方面有着广泛的应用前景。本文以圆柱定子弯曲振动超声波电机为研究对象,在阅读和分析了大量国内外有关参考文献的基础上,分析了其驱动机理,建立了其数学模型,运用理论推导和有限元软件Ansys进行仿真,确定了电机设计方案及参数,制作了圆柱定子型超声波电机的样机并进行了实验研究与分析。本文研究的主要内容概括如下:1、简单介绍了国内外超声波电机的研究历史、特点及其应用前景;对现有的超声电机进行了分类。详细介绍了国内外已研制和正在研制的圆柱定子行波超声电机的结构、原理、性能及应用前景。2、介绍了圆柱超声波电机相关的基础理论,包括压电陶瓷的振动理论以及梁的弯曲振动理论,建立了圆柱超声波电机的简单数学模型;因为椭圆运动轨迹的合成是超声波电机转动的本质所在,所以接着分析与讨论了超声波电机椭圆运动的形成。3、详细探讨了圆柱体弯曲振动超声波电机设计和制作,从超声波电机的定子着手,确定设计方案,采用理论计算并结合ANSYS仿真计算结构设计和设计参数,研制了该类型电机的实验样机。4、设计了双路谐振式升压电源,论述了其工作原理、电路特点以及对实际电路的动态特性进行分析,并对其输出信号进行分析和进行电机样机驱动实验。5、对样机进行了实验研究,分析了超声波电机的输入参数对电机运行性能的影响,得出了激励频率-转速特性、输入电压-转速特性和预压力-转速特性关系曲线并进行了结果分析,得出关于该类型超声波电机的一些相关结论,为进一步开展同类型超声波电机的研究提供实验依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题概述
• 1.1.1 课题研究的目的及意义
• 1.1.2 超声波电机的发展简史
• 1.2 国内外研究水平和动态
• 1.2.1 国外研究状况
• 1.2.2 国内的研究现状
• 1.3 超声波电机的分类、特点及应用
• 1.3.1 超声波电机的分类
• 1.3.2 超声波电机的特点
• 1.3.3 超声波电机的应用
• 1.4 圆柱定子弯曲行波型超声波电机
• 1.4.1 圆柱定子弯曲行波型超声波电机的定义及特点
• 1.4.2 圆柱定子弯曲行波型超声波电机的研究状况
• 1.5 超声波电机研究的热点问题和在应用上存在的困难
• 1.5.1 目前研究的热点问题
• 1.5.2 目前在应用上存在的问题与困难
• 1.6 课题来源及本文的主要研究内容
• 第二章 圆柱定子超声波电机的数学模型
• 2.1 引言
• 2.2 行波超声波电机的数学模型
• 2.2.1 压电陶瓷的数学模型
• 2.2.2 细直梁的弯曲振动模型
• 2.2.3 Timoshenko 梁的弯曲振动模型
• 2.3 超声波电机的驱动机理-椭圆运动的分析与讨论
• 2.3.1 利用双弯曲振动合成椭圆运动
• 2.3.2 利用圆盘振子的共振合成椭圆运动
• 2.3.3 利用复合振子合成的椭圆运动
• 2.4 小结
• 第三章 圆柱定子弯曲振动分析
• 3.1 引言
• 3.2 圆柱体定子振动分析
• 3.2.1 螺栓固定兰杰文振子
• 3.2.2 圆柱体弯曲行波型超声波电机的工作特点
• 3.2.3 电机运动机理
• 3.2.4 椭圆运动轨迹方程
• 3.2.5 圆柱体弯曲振动的近似设计理论
• 3.3 圆柱定子弯曲振动的有限元分析
• 3.3.1 圆柱体弯曲振动有限元分析
• 3.3.2 圆柱体引入压电陶瓷片后弯曲振动有限元分析
• 3.3.3 压电陶瓷位置对圆柱定子弯曲振动的影响
• 3.4 小结
• 第四章 圆柱弯曲振动超声波电机设计与制作
• 4.1 引言
• 4.2 圆柱体定子结构初步设计
• 4.2.1 压电陶瓷的设计
• 4.2.2 前后配重块的设计
• 4.3 超声波电机的整体结构
• 4.4 小结
• 第五章 超声波电机电源的研究与设计
• 5.1 引言
• 5.2 开关逆变型驱动电路
• 5.2.1 全桥变换电路
• 5.2.2 半桥变换电路
• 5.2.3 推挽变换电路
• 5.2.4 实用推挽开关驱动电路的设计
• 5.3 谐振升压电源电路
• 5.3.1 超声波电机的等效电路
• 5.3.2 谐振升压式驱动电路
• 5.3.3 谐振升压式仿真电路
• 5.3.4 谐振升压式实际电路设计及实验
• 5.3.5 两路谐振升压式超声波电机驱动电路设计
• 5.4 小结
• 第六章 圆柱定子弯曲超声波电机样机的实验研究与分析
• 6.1 引言
• 6.2 样机的制作与安装
• 6.3 圆柱定子行波超声波电机的实验曲线
• 6.3.1 激励频率-转速特性
• 6.3.2 驱动电压-转速特性
• 6.3.3 预压力-转速特性
• 6.4 实验结果分析
• 6.4.1 激励频率分析
• 6.4.2 驱动电压分析
• 6.4.3 预压力分析
• 6.4.4 实验结论
• 6.5 小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 全文结论
• 7.2 今后研究的工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文