弯曲旋转超声电机是一种行波型超声电机,在航空航天、机器人、精密仪器以及汽车工业等领域有着广泛的应用前景。已有弯曲旋转超声电机,定转子处于单个小区域接触状态,限制了电机的性能输出。为达到改善电机特性的目的,本文提出了一种定转子接触状态为三小区接触的多行波金属管式超声电机。基于自由-自由等截面铁摩辛柯梁的振动理论,推导出计及转动惯量与剪切变形的弯曲振动梁共振频率的解析公式,扩展了公式的适用范围。通过有限元仿真及样机的实例验证,证明了该公式可以用于径长比小于1的柱状定子弯曲振动共振频率的计算。在此基础上,提出了振动特征曲线的概念,举例说明振动特征曲线的应用,为弯曲旋转超声电机柱状定子的设计与振动特性研究提供了理论基础。研制出一种利用柱状定子CB（1,3）振动模态、粘贴12片压电陶瓷片的多行波金属管式超声电机,该样机定子外径42mm,内径34mm,长44mm。提出了用12分区激励方案,在定子端面圆周上激发出一个波数为3的行波,定子以3个波峰同时与转子接触驱动。测试了定子的振动模态与样机的负载特性,结果表明,定子为CB（1,3）振动模态,样机的工作频率为29.90kHz,在激励电压峰峰值为250V,预压力为7N时,样机的空载转速为280r/min,堵转转矩为62.5mN·m。推导出粘贴压电片式定子的力系数计算公式,得出了定子输入激励电压与端面输出力间的函数关系。绘制出定子一阶弯曲振动时振型函数与应变曲线,得出压电陶瓷片位于定子一阶弯曲振动波腹处为最佳贴片方式。建立了金属管式超声电机最佳预压力、堵转转矩、空载转速以及输出功率的评估模型。对原型样机进行了实例评估,评估值与实测值吻合情况较好,表明本文研制的多行波金属管式超声电机,具有较理想的输出性能。
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