微型超声电机的研究

论文摘要

本文从介绍超声电机的基本原理和优缺点入手，指出超声电机在毫米量级的小尺寸领域更具优势。然后从原理设计或改进，有限元仿真计算，加工工艺，实验测量以及低温特性等方面对三款微型超声电机进行了研究。螺母型超声电机驱动的手机AF模组是已经通过合作单位成功实现商业化生产的一款产品，本文在此基础上进一步分析了它在像质方面不足的产生原因并提出了加工条件允许且改动最少的解决方案，将镜头的旋转直线运动变为单纯的直线运动，然后做出了实物样机。提出了最有效的预压力加载方式以确保流畅运转。然后对电机的电学导纳特性，振动特性，连续运行和单步运行特性进行了实验测量，结果证实了该结构在解决了像质问题的基础上同样具备良好的运行特性。同时，通过有限元软件ANSYS对复杂定子结构精确建模分析，分析结果与实验测得的导纳特性基本一致。该方案在国内外还未见报道。一端固支的压电复合弯曲梁驱动的螺纹直线电机（Patent No.:200910080339.6）是针对实验室承担的盲人打字机驱动机构的研发任务而提出来的一种结构简单，安装方便适合密集阵列化使用的低成本微型直线驱动方案。本文对样机的振型和驱动速度进行了测量，验证了其驱动能力。直径8mm模态转换型超声电机（Patent No.:200910086400.8）是一款为了满足自然科学基金（10676015）对堵转力矩（>3mNm）的要求而设计的旋转型电机。本文从能量转化的两个过程分析了电机性能不足产生的原因。通过在定子上设计了预紧力施加机构提高机电转化效率；通过新的建模方法进行有限元分析重新设计了定子尺寸，以便实现模态的耦合。实验中除了进行基本参数特性测量之外，还利用自制的转矩测量装置测量了电机的输出力矩以及负载特性，验证了电机的输出特性已达到项目指标要求。最后，结合实验室国家自然科学基金项目（51077086），介绍了超声电机的低温特性实验以及取得的初步结果，实验证实了低温真空环境对压电陶瓷与金属组成的复合振子本身的特性没有显著影响。而低温真空环境对超声电机特性的影响还需更进一步的实验和讨论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.0 超声电机简介
• 1.0.1 超声电机的基本原理
• 1.0.2 超声电机的分类
• 1.0.3 超声电机的优势与不足
• 1.1 压电效应的物理基础
• 1.1.1 压电材料的特性及相关参数介绍
• 1.1.2 压电振子的等效电路理论
• 1.2 有限元法在压电振子分析中的应用
• 1.3 微型超声电机的发展概况
• 1.4 本论文的研究工作目标
• 第2章 手机自动对焦模组的改进及实验研究
• 2.1 手机自动对焦模组的发展现状
• 2.1.1 手机 AF 模组的研究背景
• 2.1.2 手机 AF 模组的各种可行方案
• 2.1.3 压电制动器驱动的手机 AF 模组
• 2.2 螺母型超声电机驱动的 AF 模组存在的问题及结构改进
• 2.2.1 螺母型超声电机 AF 模组存在的问题
• 2.2.2 几种可能的改进方案
• 2.3 螺母型超声电机定子结构的有限元分析
• 2.3.1 ANSYS 有限元分析软件的分析过程
• 2.3.2 AF 模组定子的分析
• 2.3.3 AF 模组定子的分析结果
• 2.4 螺母型超声电机驱动的 AF 模组改进过程中的具体工艺问题
• 2.4.1 各零件之间的配合
• 2.4.2 预压力施力机构的改进及装配
• 2.5 AF 模组的实物样机以及相关实验
• 2.5.1 AF 模组的装配过程及其实物图
• 2.5.2 AF 模组定子电学导纳特性测量
• 2.5.3 AF 模组定子振动谐响应测量
• 2.5.4 AF 模组定子起振与止振过程测量
• 2.5.5 AF 模组连续运转特性实验
• 2.5.6 AF 模组的单步运转特性实验
• 2.6 本章小结
• 第3章 螺纹直线型电机的原理以及实验研究
• 3.1 螺纹直线电机的应用背景
• 3.2 螺纹直线电机的有限元分析
• 3.3 螺纹直线电机的实验测量结果以及讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 直径 8mm 的模态转换型电机的结构改进以及实验
• 4.1 直径 8mm 模态转换型电机的研究背景
• 4.2 直径 8mm 的模态转换型电机的基本原理
• 4.3 模态转换型电机结构尺寸以及工艺上的改进
• 4.3.1 增加压电片预紧力施力机构提高机电转化效率
• 4.3.2 重新设计耦合器结构实现模态转换
• 4.3.3 对已确定的耦合器模型进行更进一步的有限元分析
• 4.4 模态转换型电机装配以及测量
• 4.4.1 模态转换型电机的装配
• 4.4.2 模态转换型电机的导纳特性和振动特性测量
• 4.4.3 微型电机的转矩测量装置
• 4.4.4 模态转换型电机的负载特性测量
• 4.4.5 电源电压和预压力对转速的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 超声电机低温特性实验研究
• 5.1 研究背景
• 5.2 直径 1.8mm 的压电管式超声电机低温真空特性研究
• 5.2.1 电机的基本特性介绍
• 5.2.2 实验过程
• 5.2.3 测量结果及讨论
• 5.3 手机自动调焦模组的低温真空特性研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果