矩形复合层板面内弯曲模态直线超声电机研究

论文题目: 矩形复合层板面内弯曲模态直线超声电机研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 农业机械化工程

作者: 刘仁鑫

导师: 张铁民,张泰岭

关键词: 矩形复合层板,面内振动,弯曲模态,等效电路,直线超声电机,机理

文献来源: 华南农业大学

发表年度: 2005

论文摘要: 直线超声电机(Linear Ultrasonic Motor,以下简称LUSM)是超声电机的一个重要分支,近年来已成为超声电机研究和开发的热点。直线超声电机具有结构简单、体积小、输出力大、启停响应快(响应时间为毫秒级)、位置分辨率高(达纳米级)、低振动、低噪声、机电转化效率高等特点,决定了它在微小型、精密定位、小功率驱动等方面的应用具有明显的优越性。本文针对计算机硬盘磁头驱动装置,提出了一种矩形压电复合层板振子面内弯曲模态新型直线超声电机,并对其关键部件——压电振子及电机驱动机理进行了深入地理论与实验研究。本论文的主要内容有:首先,综述了国内外直线超声电机研究及应用现状,具体概述了直线超声电机特点、类型及其研究中存在的问题。特别地,针对矩形板振子面内模态直线超声电机的研究,进行了较详细的论述。第二,对矩形复合层板振子进行了面内动力学研究:(1)运用弹性力学、振动等理论,忽略压电效应的影响,对矩形复合层板振子进行了面内动力学分析,建立了矩形复合层板振子面内振动的理论模型,并通过Rayleigh-Ritz近似计算方法,利用Maple软件计算得到了其固有频率;(2)利用已建立的理论模型,计算分析了压电振子弹性体材料、结构尺寸等参数对面内弯曲谐振频率的影响,并将理论计算结果与ANSYS有限元分析结果进行了对比;然后,根据电机设计要求,得出了使两种弯曲模态频率趋于一致时压电振子的材料、结构参数。第三,运用等效电路分析方法,在忽略剪切、弯曲及扭转振动的情况下,将矩形压电振子的面内振动,看成是长度和宽度方向伸缩振动的相互耦合,从第一类压电方程出发,将其转变为压电振子的系统方程,推出了压电振子面内振动的等效电路;并在此基础上,根据谐振理论,分析了其面内振动的频率特性,并计算得到了矩形振子不同尺寸下长度和宽度方向伸缩振动的共振频率。第四,根据运动学理论,结合振动模态的简并及其周期变化过程,详细分析了矩形复合层板面内弯曲模态直线超声电机的驱动机理。最后,在理论分析研究的基础上,加工制作了新型直线超声电机样机,并对其进行了实验研究:(1)利用Aligent 4294A精密阻抗分析仪、压电阻抗分析系统,对压电振子进行了扫频实验及阻抗测试,得到了阻抗频率特性、导纳频率特性曲线及其谐振频率;(2)对电机进行了调试及其性能测试,实验表明:电机正反向运行良好,通过手动控制电源开关,能够实现电机快速起停、换向等功能;当改变激励频率或电压值时,可以控制电机运行速度。研究表明,电机可在一定的频带宽度内工作,其最佳工作频率为65.2kHz,与扫频实验结果65.32kHz,65.315 kHz比较,分别相差0.18%,0.18%;在输入电压为380VP-P,驱动频率为65.2kHz情况下,电机正反两方向均运行良好,其最大无负荷平均运行速度达458.3mm/s,最大驱动力为1.2N。进一步证明了理论分析方法及所得结果的正确性和可行性。但该电机在性能及稳定性方面仍有待进一步改进或提高。本项目的研究对面内模态直线超声电机的设计及其在磁头驱动中的应用研究,提供了有价值的分析方法及理论基础。

论文目录:

摘要

1 前言

1.1 国内外直线超声电机研究概况

1.1.1 超声电机研究概况

1.1.2 直线超声电机的特点及分类

1.1.2.1 直线超声电机的特点

1.1.2.2 直线超声电机分类

1.1.3 直线超声电机应用前景

1.1.4 直线超声电机研究及应用中存在的主要问题

1.2 研究目的、选题意义及研究方法

1.2.1 选题意义、研究目的

1.2.2 研究方法及技术路线

1.3 本项目研究的主要内容

2 矩形复合层板振子面内振动研究

2.1 引言

2.2 矩形复合层板振子面内振动研究

2.2.1 矩形复合层板振子等效性能参数计算

2.2.2 矩形复合层板振子面内振动理论模型

2.2.3 求解

2.2.4 矩形复合层板振子结构参数对模态频率影响

2.2.5 矩形复合层板振子材料结构参数确定

2.3 结果分析与比较

2.3.1 理论计算结果与文献结果比较

2.3.2 理论计算结果与有限元结果比较

3 矩形复合层板振子面内振动等效电路研究

3.1 压电效应与压电方程

3.1.1 压电陶瓷材料的压电效应

3.1.2 压电材料参数及压电方程

3.1.3 描述压电陶瓷材料物理特性的几个重要参数

3.2 矩形复合层板振子面内振动等效电路分析

3.2.1 压电振子谐振特性及等效电路

3.2.2 矩形复合层板振子面内振动等效电路分析

3.3 等效电路计算及与理论计算的比较

3.3.1 等效电路计算

3.3.2 等效电路计算结果分析及与动力学计算结果比较

4 矩形复合层板面内弯曲模态直线超声电机运动机理

4.1 压电振子的振动模式

4.2 驻波型超声电机质点椭圆运动的形成

4.3 矩形复合层板面内弯曲模态直线超声电机运动机理

4.3.1 基本原理结构

4.3.2 质点椭圆运动的形成及其机理分析

5 矩形复合层板面内弯曲模态直线超声电机实验研究

5.1 压电振子扫频实验

5.2 压电振子阻抗测试分析

5.3 电机的调试及其特性实验

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 今后研究工作展望

致谢

参考文献

Abstract

附录A：攻读博士学位期间科研、发表论文及获奖情况

附录B：频率计算Maple 主程序

附录C：主要符号及含义

发布时间: 2008-01-03

参考文献

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