异形薄板式超声换能结构驱动的压电平面电机

提出基于异形板振动驱动的平面运动电机新原理,以异形板的两纵杆上端作为驱动足。利用两纵杆的面内一阶反对称纵振分别与面内二弯、面外二弯的振动耦合,在驱动足形成沿xOy、zOy面的椭圆轨迹,推动动子x、z向自由度运动。阐释了电机驱动机理,推导出驱动足椭圆轨迹方程。建立定子多工作模态频率一致性优化模型,确定了定子尺寸;设计了电机装配结构;建立了电机的限元数值模型,求得定子工作模态及频响特性,仿真出驱动足的两相椭圆运动,从而验证了电机原理。探索出电机调频、调压、调相位运动特性。当正常电激励时,驱动足沿x、y、z向振幅可达1.42μm、1.28μm、1.33μm,电机x、z向速度有望达156mm/s、146mm/s。     

双H叉合式定子谐振驱动的压电平面电机研究

为满足应用领域对高精密平面运动驱动的需要,提出了双H叉合式谐振驱动的平面电机及其动力学结构,择取该定子的面外对称弯振、左右杆面内弯振、上下杆面内弯振模态为电机的工作模态,通过面外弯振模态分别与两相面内弯振模态进行谐振耦合,分别在定子上下杆和左右杆的驱动足上复合出沿xz、yz面行进的两椭圆轨迹以驱动动子的x、y向运动。建立了定子的机电耦合分析有限元模型,求取了定子工作振动模态,验证其预设工作模态的存在性。通过对定子进行频率一致性计算,得到定子的主要尺寸为30 mm×8.7 mm×7.4 mm;通过定子谐响应分析,解算出其干扰模态特性,实现了干扰模态分离。通过定子瞬态振动响应计算,模拟出驱动足的两相椭圆轨迹,求得250 V驱动电压激励条件下的驱动足x(或y)和z向振幅分别为1.5μm和1.3μm,验证了电机工作原理并探析其调压、调频和调相振动特性。给出了定子夹持固定方式并完成了电机装配结构设计,该电机具有良好的动力学特性和应用前景。     

基于H卧板面内四足驱动的平面超声电机

提出H结构定子三相振动模态驱动的平面超声电机,设定H卧板两纵杆端部处于xOy面内的四个凸起作为定子驱动足。通过H结构的面外二弯模态分别与面内一纵模态以及面内二弯模态的振动复合,在驱动足合成出沿yOz面、xOz面的椭圆轨迹,推动动子交替地沿x、y向做直线运动。阐释了电机的工作原理,推导出驱动足的两相空间椭圆轨迹方程;建立了定子有限元分析模型,实现了定子频率一致性动力学特性优化,仿真出驱动足的频响特性、振动响应及其运动调节特性,设计了电机的装配结构。模拟了仿真定子的运动,结果表明,驱动足沿x、y、z向振幅均达微米级,且调节激励电压和相位可调节电机x、y向速度与推力。该电机具有广阔应用前景。     

盆架形压电振子同型模态驱动平面电机研究

为满足高精度平面运动的需求,提出了一种盆架形的平面超声电机,选取该定子的反对称纵向伸缩振动、左右方杆面内一阶弯振、前后方杆面内一阶弯振模态为工作模态,纵振模态与弯振模态复合形成xOz、yOz面的椭圆运动。该文阐述了电机的驱动原理,基于ANSYS分析软件建立了定子有限元模型,优化了结构尺寸,实现了干扰模态分离,进行了谐响应和瞬态分析,进行了运动调节特性分析。基于频率一致性优化得到盆架形定子的整体尺寸为53.136 mm×4.550 mm×4.560 mm,定子驱动足上x、y、z向振幅分别为2.0 μm、1.49 μm、3.36 μm,模拟出了椭圆运动轨迹,验证了该平面电机具有良好的运动特性,并给出了定子固定方式及设计了电机装配结构。     

双作动板驱动的压电宏微直线作动器研究

针对单板式压电作动器动力小、速度低等问题,为丰富宏微直线作动器形式,该文提出基于双作动板式定子的压电直线作动器。选定双作动板的一阶纵振和二阶弯振为作动器工作模态,利用纵振驱使动子滑移,借助弯振实现驱动足与动子的动态接触与分离。阐释了双作动板推动动子前移的过程,推导出驱动足的椭圆轨迹方程及椭圆形成条件。优化出定子结构尺寸为45.3 mm×11.2 mm×6 mm,实现了两工作模态的简并。建立了定子机电耦合分析模型,解算出两相工作模态的振型,求得两相模态频率分别为34 994 Hz和34 998 Hz,模拟出驱动足的椭圆行进轨迹,求得定子的调压及调频振动特性。测试表明,当驱动电压的幅值和频率为250 V、34 938 Hz 时,驱动足的x、z向振幅分别达1.34 μm和2.73 μm,足以推动动子移进。设计了双板式作动器的装配结构,建立了其三维装配模型。该作动器有望输出较大动力与速度,具有广阔的应用前景。     

一种弯曲模态直线超声电机的研究

提出了一种改进的弯曲模态直线超声电机。该电机利用兰杰文振子两相正交的3阶弯曲振动,在其驱动足处形成椭圆运动,推动动子运动。采用超声变幅放大了定子驱动足处的振幅。利用有限元方法用来设计定子的结构尺寸。实验表明,在电压峰-峰值200V下,该电机最大空载速度为113mm/s,最大输出力为10N。     

口齿式定子驱动的平面超声电机特性分析

推出口齿形定子驱动的压电平面电机,选定子的面外弯振、面内横齿弯振、面内纵齿弯振作为工作模态,利用面外弯振分别与面内纵齿弯振、面内横齿弯振的振动耦合,分别在纵、横齿驱动足上生成沿xOz、yOz面行进的椭圆轨迹,以推动动子沿x、y向移动,阐明了电机的运动原理。基于频率一致性目标优化了定子尺寸,并厘定电机最适驱动频率为30 800 Hz。建立了定子机电耦合分析模型,计算出定子的瑞利阻尼,模拟出驱动足的椭圆轨迹,仿真得到在250 V电压激励时驱动足的x、y、z向振幅分别为2.1μm、2.6μm和2.0μm。探析了驱动电压、频率、相位差对电机振幅的影响。     

工字型定子驱动的压电直线电机动力学特性

提出工字型定子驱动的压电直线电机,将工型结构上两平行板的面内一、二阶反对称弯振作为工作模态,以板侧的4个凸起作为驱动足。这些驱动足沿对角线分为两组交替地驱动动子。阐述电机的驱动机理,建立了定子的机电耦合分析数值模型,求解出电机工作模态,模拟出驱动端轨迹,验证了电机原理,完成了电机装配结构设计。研究表明,当弯、纵振激励电压分别为50V和250V时,驱动端的z、y向振幅分别达1μm和2μm。该电机有望输出较大动力和速度,具有良好的应用前景。     

双变幅杆V形直线超声电机研究

提出一种改进的V形直线超声电机.该电机利用两垂直兰杰文振子的纵、弯振动,在其驱动足处形成椭圆运动,推动动子运动.采用超声变幅杆结构的兰杰文振子,放大了定子驱动足处的振幅.有限元法用来设计定子结构尺寸,调节对称模态与反对称模态的频率一致性.实验表明,在预压力50 N下,该电机最大空载速度为235 mm/s,最大输出力21.4 N,定子质量为87.3 g,推重比达25.     

基于MRAS的永磁同步电机直接转矩控制系统的研究

研究了一种基于模型参考自适应无速度传感器的永磁同步电机直接转矩控制系统:将永磁同步电机的磁链模型作为参考模型,估算的定子磁链模型作为可调模型,设计了自适应定律对电机的转速与定子电阻同时进行跟踪辨识,使用空间电压矢量调制技术组成了永磁同步电机无速度传感器直接转矩控制系统。仿真实验结果表明该系统获得了近似圆形的定子磁链,在转速与转矩变化时均能准确的估算出电机转速,具有良好的动、静态性能。     

Development and Analysis of a High Thrust Force Direct-Drive Linear Actuator

This paper presents the design and analysis of a novel high thrust force linear actuator with high backdrivability. This motor consists of a mover and a stator with spiral (helical) structure. The mover moves spirally in the stator, and the linear motion is extracted to drive the load. This motor is a direct-drive system and highly backdrivable. In this paper, a basic model and thrust-force/torque equations are proposed, and finite-element method analysis and experimental results of a prototype are presented. From experiments, the designed spiral motor achieves 2000-N rated thrust force. The thrust-force capabilities of the spiral motor are compared with other linear motors. It is confirmed that the spiral motor is almost close to the latest state of the art in linear motor technology.     

圆柱-球体多自由度超声电机定子的优化设计

为了实现圆柱-球体多自由度超声电机的运动和提高电机的机电转换效率。电机的定子要具有合适的工作模态。该文根据该种电机对其定子工作模态的要求，以定子的结构参数为设计变量，建立了定子的优化设计数学模型，采用约束变尺度优化法编制了计算程序，并对实例进行了相应的计算。通过与原型样机的实验结果进行比较，证明该文所提出的优化设计法是有效的。     

Analysis,measurement and control of a new disc-type ultrasonic motor system

This paper first presents an equivalent circuit model of a new disc-type ultrasonic motor and discusses its applications in evaluation of the stator’s frequency characteristics. The equivalent circuit analysis is based on the principle of ultrasonic motor operations and is conducted from the viewpoint of the mechanic vibration of the piezoelectric ceramic disk. Furthermore, because drift of the piezostator characteristics will cause variation of the motor speed, a controller is thus necessary in order to produce a constant output speed. In this research, the speed control scheme is implemented by using current modulation, so the revolutional speed will be kept constant. Meanwhile, the frequency behaviour of the proposed motor and its consequences on speed control scheme are discussed. Finally, a 3-D mechanical element with an extra electrical degree of freedom is employed to simulate the dynamic vibration modes of the linear piezoelectric, mechanical and piezoelectro-mechanic behaviours of a metal disc structure embedded with a piezoelectric actuator. In piezoelectric finite element formulation, a discretized equation of motion is developed and solved by using the integration scheme to explain why an adaptive boundary condition, a simple support condition with three non-equal-triangular (120°–90°–150°) fixed points near the edge for the mechanical design of a new disc-type piezoelectric ultrasonic stator, is defined so that a lateral elliptical motion of the contact point between stator and rotor can be realized for driving the rotor.     

直线超声马达研究进展

简述了近十年来直线超声马达的研究进展,分析了超声马达在结构设计和摩擦驱动等方面的关键问题。分析表明,开发新型原理的超声马达方兴未艾,但接触型马达为目前直线马达的主要发展方向。本体结构简化、驱动性能增强、工作效率及稳定性提高,是超声马达结构设计时应考虑的目标和任务。但接触型直线马达正常工作过程就是定/动子间的高频冲击磨损过程,定动子间摩擦学设计至关重要。另外,装配预紧力、接触间隙和磨损过程等引起的非线性问题,在马达设计制造和使用维护中应给予关注。最后,探讨了马达使用性能及运行寿命的影响因素,并总结了直线超声马达工作过程中的能量损失缘由和噪声产生机理。     

行波型超声波电机等效电路建模

该文在深入分析超声电机运行机理的基础上,从定子、接触区域和转子3方面建立了超声电机等效电路模型。综合现有超声电机等效电路模型的优缺点,考虑摩擦耦合对超声电机的影响,并结合转子振动方程,提出了摩擦层与转子的等效电路模型;对转子侧等效模型进行优化,使其与定子模型结合成完整的电机模型。基于所建立的模型理论,对等效电路进行仿真,仿真结果表明了转子对整个电机电气特征的影响。通过对实际超声电机的测试及其与仿真波形的对比,验证了所提出的行波型超声波电机等效电路模型的正确性,为进一步开展超声电机驱动器和控制器的设计提供了模型基础。     

面内弯纵型直线超声电机的数学模型与实验研究

提出了一种弯纵复合振动型的直线超声电机,电机由一块金属板和8片压电陶瓷片组成,金属板开设了4个长形孔,金属板开孔使电机的工作频率点得到优化.通过电机定子的机电耦合分析,提出了弯纵型直线超声电机的数学模型.弯纵复合振动的激发使定子驱动足的椭圆运动轨迹得以形成.通过实验验证了电机的可行性.     

基于扭纵复合型超声电机动力学模型的模拟计算

基于动力学原理，利用一种新的扭纵复合型超声电动机的动力学模型，模拟计算了扭纵复合型超声电动机的转速、转矩、效率和响应时间等特性。计算结果揭示了预压力、定子两路振动振幅等输入参数对负载特性的影响。此外，转子运转的响应时间与负载力矩间的关系也可由模拟计算导出。利用该模型对所研制的复合型超声电机实验样机进行的计算结果与实际测量结果基本相符，验证了该模型及相应数值计算方法的可靠性。利用该模型首次计算出定，转子接触与分离点的不对称特性。     

SAMCEF在超声波电机设计中的应用

在微机电领域中,为获得超声波电机的振动模态及谐响应特性,利用SAMCEF有限元分析软件对直径为50 mm的环形行波型超声波电机压电转换器和定子的振动状态进行了分析;在完成超声波电机定子建模的基础上,进行振动模态分析和最优模态选择,并在此基础上进行了谐响应分析。分析结果表明,利用SAMCEF软件对超声波电机进行分析被证明是一种行之有效的方法。     

海洋一号卫星水色仪步进电机的角速度振动特性研究

本文以海洋一号卫星水色扫描仪的转动机构为模型,设计了用以进行状态模拟的角速度振动试验,分析了步进电机的振荡机理,建立了步进电机 角速度振动条件下电机运动状态的数学模型,并进行了不同参数条件下的计算机仿真。结果表明,步进电机在角速度振动环境下会产生耦合振动,造成工作状态变差。