双斜槽模态转换型超声波电机的设计与实验研究

论文摘要

超声波电机是一种利用压电材料的逆压电效应,借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构。其特点是结构简单,响应快,低速大转矩,不受外界磁场干扰,可断电自锁,已被广泛应用于精密制造、航天、医疗、机器人等高新技术领域。超声波电机发展至今已有多种结构形式,分类也多种多样,其中纵扭杆式驻波模态转换型超声波电机为本文的研究对象。本文设计的超声波电机为双斜槽模态转换型超声波电机。在搜集了大量资料并研究后,了解到该类电机的发展过程及应用前景,掌握了该类电机的驱动原理及涉及的知识领域。在电机的整个设计过程中介绍了压电陶瓷的性能参数及振动理论,驻波的产生原理,超声波电机的运动机理,金属杆的纵振动理论和扭振动理论,电机振动体的设计计算及斜槽传振杆的相关计算。本文设计的双斜槽模态转换型超声波电机定子采用了朗之万夹心结构,包括前盖板、压电陶瓷堆、后盖板。另外本文还设计制作了对比电机,即单斜槽模态转换型超声波电机和单孔式模态转换型超声波电机。三个电机的尺寸相同、结构相似。通过对三类电机的实验测试得出三个电机的激励频率、输入电压及预压力与电机转速的性能曲线图及电机运转最大速度时各性能值。将三类电机的最佳性能值进行比较,得出双斜槽式样机的最大转速约为单斜槽电机的6倍,约为单孔式电机的10倍。虽然设计电机通过实验测得了其各方面的性能基本符合设计时的要求,但与电机的理论模型仍有很多的差异。可见电机在数学模型的建立方面仍需深入研究,而且电机在摩擦材料、加工精度等方面也存在很多问题,阻碍了其实用化的进程。因此,超声波电机的研究仍需加强,希望本文的研究内容能为今后的研究提高一些参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声波电机概况
• 1.1.1 超声波电机的发展
• 1.1.2 超声波电机的基本原理
• 1.1.3 超声波电机的特点
• 1.1.4 超声波电机的分类
• 1.1.5 超声波电机的应用
• 1.2 模态转换型超声波电机的概况
• 1.2.1 模态转换型超声波电机的工作原理
• 1.2.2 模态转换型超声波电机的研究状况
• 1.3 超声波电机的研究趋势
• 1.4 本文的主要研究内容
• 第二章 超声波电机的驱动原理
• 2.1 压电陶瓷
• 2.1.1 压电效应
• 2.1.2 压电方程
• 2.1.3 压电陶瓷的几个重要参数
• 2.1.3.1 机电耦合系数
• 2.1.3.2 机械品质因数
• 2.1.3.3 电学品质因数
• 2.1.4 谐振特性
• 2.1.5 振动模态
• 2.2 模态转换型超声波电机的运动机理
• 2.2.1 椭圆轨迹的形成
• 2.2.2 驻波的产生
• 2.2.3 模态转换型超声波电机的椭圆运动
• 2.3 本章小结
• 第三章 双斜槽模态转换型超声波电机的设计与制作
• 3.1 定子的固有频率计算
• 3.1.1 金属杆的纵向振动理论
• 3.1.2 杆的扭转振动理论
• 3.2 夹心式换能器的理论分析与设计
• 3.2.1 压电陶瓷堆的机电状态方程及等效电路
• 3.2.2 夹心式换能器的频率方程
• 3.2.3 圆环斜槽传振杆的理论分析
• 3.3 设计的模态转换型超声波电机的具体结构尺寸
• 3.3.1 双斜槽式定子的结构尺寸
• 3.3.2 对比电机的结构尺寸
• 3.4 定子结构的优化分析
• 3.5 电机其他部分的设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 双斜槽模态转换型超声波电机的实验研究分析
• 4.1 实验目的与实验内容
• 4.2 实验电源的输入输出特性
• 4.3 模态转换型超声波电机样机的实验与分析
• 4.3.1 样机的安装
• 4.3.2 双斜槽模态转换型超声波电机样机的实验与分析
• 4.3.3 对比样机的实验与分析
• 4.4 实验总结
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文总结
• 5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢