双兰杰文振子纵弯复合模态驱动的压电平面电机

提出利用具有双兰杰文振子的H定子驱动的压电平面电机,选定H定子两纵杆沿x Oy面的一纵、二弯模态,及沿z Oy面的二弯模态为工作模态,将两纵杆设计成夹心变截面结构并以其上端为驱动足。一纵模态分别与两相二弯模态进行振动耦合,使两驱动足沿x Oy、z Oy面作椭圆运动而交替地推动动子作平面运动。阐释了电机工作原理及其驱动足做椭圆运动条件。基于工作模态频率一致性目标建立定子优化模型,解得定子优化尺寸。建立定子机电耦合有限元模型,求取电机的谐响应及模态干扰特性。设计出电机装配模型,获取其调频、调压、调相工作特性。仿真了定子运行状态,模拟出驱动足两相椭圆轨迹且当驱动电压为250 V时,驱动足x、y、z向振幅为1.5μm、2.5μm和4.7μm。该电机有望输出较大推力与速度。     

新型塔形压电式粘滑直线作动器

为了达到纳米级的定位精度,并考虑到压电式粘滑作动器能够达到极高的定位精度(5 nm),研发了一种塔形压电式粘滑直线作动器。该作动器由塔形定子和动子构成,其中塔形定子由4片压电陶瓷与金属弹性体粘接构成,动子在预压力的作用下与定子保持接触。当输入锯齿波激励信号时,塔形定子利用y-z面内强迫弯曲振动来激发定子驱动足产生非对称切向振动,从而驱动动子正反向运动。在分析电机工作原理的基础上,制作了原理样机及其实验装置,然后进行了模态实验和机械特性实验。实验表明:锯齿波激励信号的峰峰值电压400 V、预压力6N的条件下,当激励频率8 000 Hz,该作动器速度最大,为1.2 mm/s;当激励频率1 Hz,该作动器速度最小,为35 nm/s。     

柱状螺纹直线超声电动机结构设计与实验研究

为改善现有螺纹直线超声电动机定子的结构刚度,降低谐振频率,提高电机输出力,设计了电机定子的结构并进行实验研究。电机由开槽的定子基体、螺纹动子和4片压电陶瓷组成,采用定子的两个三阶面内弯曲模态实现驱动。利用有限元软件分析定子内螺纹开槽宽度对模态频率的影响,同时进行结构动力学分析,得到定子驱动点的位移响应和运动轨迹。试制样机,搭建机械特性测试平台。实验结果表明：电机能够在较宽的频率范围内运行,电机的最佳工作频率75.2 kHz,最大速度为0.59 mm/s,最大为输出力1.4 N,比优化前分别提高了31.1%和16.7%。     

双翼形直线超声波电动机

提出一款双翼形直线超声波电动机。电机定子为一个带双翼的空心圆柱结构,其利用双翼弯曲振动致使空心圆柱上下、左右摆动的两个振动模态工作,驱动动子旋转直线运动。推导了电机定子驱动质点的运动轨迹方程,研究了电机定子驱动动子运动的工作机理。利用有限元法进行分析计算,对定子驱动质点的运动轨迹进行了仿真,验证了电机运动机理分析的正确性。制作了双翼形直线超声波电动机原理样机,并进行性能测试,试验表明电机的工作频域范围较宽,在激励电压峰峰值为250 V时,电机的空载速度为1.55 mm/s,最大输出力为0.106N,是定子质量的11.7倍。     

贴片式纵弯复合型直线超声电机的理论建模与实验研究

为了满足狭窄空间的精密驱动与控制需求,提出一种结构简单、紧凑、体积小、重量轻的贴片式纵弯复合型直线超声电机。通过两相电信号激励电机定子产生纵弯复合模态,并在驱动足处耦合出椭圆轨迹,从而经摩擦作用驱动动子实现电机的双向运动。首先,采用传递矩阵法建立定子系统机电耦合模型以分析定子的动力学特性,并对定子结构尺寸进行优化设计。其次,加工并装配定子的原理样机,通过测振实验验证了理论模型的正确性。最后,搭建实验平台并对电机原理样机进行了机械输出性能测试,结果表明:在峰峰值200V驱动电压下,电机原理样机在左右2个方向上的最佳驱动频率分别为35.6kHz和35.7kHz,对应的最大空载速度分别为486mm/s和551mm/s,最大推力为0.4 N;在峰峰500V驱动电压下,电机原理样机在左右2个方向上的最大推力分别为0.48N和0.46N。     

一种矩形板四足驱动旋转超声波电机的设计与仿真

为了拓展超声波电机的应用领域,提出了一种贴片式超声波电机。该电机利用压电陶瓷片d_(31)横向振动模态激励矩形板产生变形,激发四个驱动足端面产生椭圆轨迹运动经摩擦耦合推动转子连续旋转。对定子组件的结构进行了优化设计,之后利用有限元法进行模态分析,提取到所需的谐振频率为22.244kHz,输入两相20V_(p-p)激励电压后得到了定子驱动足端面的椭圆运动轨迹。研究表明,提出的超声波电机驱动足采用摩擦面,相比于以往仅靠点摩擦驱动转子的超声波电机增加了定、转子之间的接触面积,提高了能量转换效率;同时贴片式结构为超声波电机的小型化提供了理论基础。     

基于不对称振动模态的毫米级直线超声波电动机的研制

介绍了一款微型直线超声波电动机的研制。该电机利用两个频率不相等的不对称弯振模态工作,可以实现单相驱动和两相驱动。建立了电机定子的运动学模型,分析了在单相、两相驱动下定子驱动质点的运动轨迹,推导出其椭圆运动轨迹方程。利用有限元对在不同频率驱动下定子驱动点的运动轨迹进行了仿真,检验了电机运动机理分析的正确性。制作了微型直线超声波电动机样机,该电机定子的尺寸仅为1.72 mm×1.72 mm×6mm,在驱动频率为131.9 kHz、激励电压为40 V时,电机单相、两相激励时的空载速度分别为3.9 mm/s和4.9 mm/s。     

V形大推力直线超声电机定子振动的有限元分析

为适应需要大推力的直线超声电机的应用场合,提出了一种具有双变幅杆的V形电机。电机主要包括定子和动子两部分。定子由互相垂直、头部相连的两个兰杰文振子组成,它们完全对称且具有相同的一阶纵振模态。两个一阶纵振模态合成并通过定子和动子之间的摩擦作用,驱动动子作直线运动。为了获得较大推力,将V形电机定子设计成具有一定锥度的变幅杆。电机定子的结构参数对其动态特性有着重要的影响,用有限元法计算了不同结构参数对电机定子的一阶纵振频率和头部振幅的影响,计算了电机定子的一阶纵振频率和头部振幅对结构参数的灵敏度。建立定子优化模型来获得头部较大振幅以及具有合适的工作频率。参考灵敏度分析结果,设置设计变量时,灵敏度较大的结构参数变化范围设置较大些,以增大定子头部振幅为目标函数。根据仿真结果研制了电机样品并进行了性能实验,当激励电压的峰-峰值V_p-p=300 V、工作频率f=27.3 kHz时,电机的最大输出推力接近40 N,最高输出速度为100 mm/s,电机的输出性能呈现出低速、大推力的特点。     

面内模态直线型超声电机的优化设计

利用矩形薄板面内2个不同模态作为工作模态的直线型超声电机,其频率一致性和压电单元的布置方式以及激励方式对电机的性能和效率有重要的影响。该文根据电机定子的位移振型和应变振型详细分析了压电陶瓷的布置方式和激励方式,并利用参数化有限元方法(finite element method,FEM)对定子结构进行优化设计。设计制作的样机,两相工作模态频率差为270 Hz,在电压峰峰值为350 V、驱动频率为44.16 kHz、预压力为50 N的情况下,电机最大空载速度为100 mm/s,最大输出力为3 N。     

新型塔形直线超声电机

提出一种塔形双模态直线超声电机。它由塔型定子和导轨组成,塔型定子由6片压电陶瓷(piezoelectric lead zirconate titanate ceramic,PZT)粘接在金属弹性体上构成。定子利用y-z面内对称振动模态激发驱动足的法向振动,利用x-z面内2阶弯振模态激发驱动足的切向振动。由于驱动足的法向振动和切向振动存在90°的相位差,从而在其驱动足处形成椭圆运动,推动导轨运动。讨论电机支撑位置与激振方式和位置,研制了电机样机及其实验装置。提出了一个新观点:电机工作性能与定子在接触边界条件下的频率一致性有关。通过接触边界条件下的模态实验确定了电机的最佳工作点,并在电机的最佳工作点附近进行了机械特性实验。实验表明,在激励电压峰峰值为500 V、预压力6 N下,该电机最大空载速度为980 mm/s,最大输出力1 N,定子质量为20 g,推重比(输出力与定子重量之比)达5。     

单模态纵-弯复合直线电动机的机理与特性

提出了一种融合一阶纵振和四阶弯曲振动模式的单模态直线超声波电动机,介绍了电动机的结构和运行机理,利用有限元方法建立了电动机定子的机电耦合模型,仿真分析了电动机定子的振动特性,确定了电动机定子工作模态和工作频率;利用弹性杆的纵振动和悬臂梁的弯曲振动理论建立了电动机驱动足椭圆运动轨迹方程,分析了激励电压相位差对电动机椭圆轨迹的影响;利用粘弹性接触机理给出了电动机的机械特性输出曲线,分析了预压力、激励电压幅值和激励频率等对电动机输出特性的影响。通过数值和仿真分析得出:单模态直线超声波电动机的工作频率为39 860 Hz,在外加激励电压Up-p=100 V时,电动机最大输出推力和空载速度分别达到19.1 N和310 mm·s~(-1)。     

液体媒质超声波电机特性与饱和流速的研究

与一般超声波电机依靠定转子之间的摩擦来传递能量不同，非接触型超声波电机的定转子不直接接触，克服了接触型超声波电机的易磨损、不能长时间工作等缺点，是超声波电机领域的一个新的研究方向。该文介绍了一种基于液体媒质的非接触型超声波电机，其转子浸于液体之中，不与定子直接接触，定子振动所产生的能量，通过液体传递给转子，从而驱动电机旋转。文章给出了电机的结构及工作原理，并且简要介绍了电机驱动电路的实现。该文实验验证了电机的基本运行特性，测定了电机转速、驱动频率和驱动电压之间的关系。实验中发现，在一定范围内，电机中液体旋转速度随定子振动速度的增大而增大，而当电机定子圆环振动速度超过某一特定值后，电机中液体的转速出现了饱和流速现象。文章中对液体饱和流速问题进行了理论分析，证明了液体中声场的非线性是导致饱和流速的主要因素，并通过实验测出了饱和流速与液面高度、液体浓度和非线性参数之间的关系，实验结果与理论分析结果一致。     

行波接触型超声波电机定子齿对电机性能的影响

本文对行波接触型超声波电机定子振动情况进行了分析，得到定子振动的固有频率和幅频特性，阐述了电机中定子齿的设置对定子振动的作用。针对三种不同的定子环模型，分别讨论了定子齿对固有频率、振幅及电机转速的影响，计算结果与实验测试结果相符合。     

行波接触型超声波电机定子振动有限元分析

行波接触型超声波电机是一种利用压电晶体的逆压电效应获得驱动力矩的新原理微特电机,它与由电磁作用获得转矩的电磁型电机的工作原理截然不同。该文在考虑定子环沿径向厚度变化及内外边界约束条件的基础上,建立了带有齿的行波接触型超声波电机定子模型,利用有限元法进行了定子模态和强迫振动响应分析,研究了定子直径和齿高对定子振动的影响。通过计算结果与实验的比较,证明有限元方法对于由复合材料构成、具有齿的结果超声波电机定子振动的分析是一种行之有的方法。     

基于优化PWM的定子磁链轨迹跟踪控制研究

在异步电机的高性能控制方案中,为了降低开关损耗,采用优化脉宽调制(PWM)实现低开关频率下较小的电流谐波畸变。但在调制模式频繁切换时,优化PWM会产生电流和转矩冲击。因此,研究了将优化脉冲在线移位的闭环定子磁链轨迹跟踪控制方法,提出了由基于自控电机的降阶观测器与电机电流模型观测器组成的双观测器模型,实现了基波分量观测。结合电流谐波最小脉宽调制（CHMPWM）开关角,利用其重构参考磁链与实际磁链的差值,实现定子磁链轨迹跟踪。提出了无差拍下修正开关角小于2时的脉冲模式调整方案,消除了系统的动态调制误差,实现了低开关频率下异步电机的高性能控制。在开关频率为300 Hz以下的NPC型三电平逆变器上的仿真和试验证明了定子磁链轨迹跟踪控制策略的有效性。     

水轮发电机定子磁化试验中的零节点振动问题分析与磁化试验方法探究

针对里底水电站1号机定子铁心磁化试验过程中振动及噪声过大的问题,运用有限元法对铁心零节点固有频率及三种工况下100Hz电磁激振力、铁心对应振幅进行了仿真计算。理论分析表明当铁心固有频率接近100Hz时将会产生磁化试验工况下的零节点异常振动问题,该问题不会对机组正常运行造成影响,机组投运后的实际运行结果验证了理论分析的正确性。探讨了后续机组的磁化试验方案,提出当定子铁心产生零节点异常振动时,可采用低磁密长延时常规磁化试验与ELCID相结合的替代方法,检验定子铁心的制造与叠装质量,避免共振对定子本体的损伤。     

基于液体媒质的非接触型超声波电机理论与实验研究

非接触型超声波电机有效地解决了接触型超声波电机因接触摩擦所引起的使用寿命低、不能长时间连续运转等难题,是超声波电机领域的一个新的研究方向。介绍了一种基于液体媒质的非接触型超声波电机,其定子与转子是不接触的,并且转子浸于液体媒质之中,定子压电振动所产生的能量通过定、转子间的液体传递给转子,从而驱动转子旋转。给出了该电机的结构及驱动电路,对其运行机理进行了理论分析,利用有限元法对定子振动情况进行了模态分析,讨论了水位高度、定子振动速度等对电机性能的影响,并通过实验进行了验证,实验测试结果与理论分析结果相一致。     

三自由度圆柱定子超声波电机运动轨迹仿真

基于超声波电机中压电陶瓷的逆压电效应、定子振动、转子旋转的原理,考虑弯曲振动引起的纵向振动,应用几何原理和振动理论,对圆柱定子激励频率相同、激励电压和激励的初相位各不相同的电信号引起的各单相振动进行合成,推导了三自由度圆柱定子超声波电机在三相同时激励时定子表面质点的轨迹运动方程,并仿真出同频率、不同相位差、不同电压激励时的运动轨迹,分析了这三个因素对定子表面质点轨迹的影响,为三自由度超声波电机的轨迹控制和姿态控制奠定了理论基础。     

感应电机振动特性有限元分析

根据感应电机噪声理论,给出了感应电机振动的数学模型,并通过ANSYS软件计算得到了感应电机定子的二维、三维状态下和机座的三维状态下的固有频率和相应的振型,并将计算结果与实际计算值和实验值进行比较讨论其固有模态的特点与结构对其的影响.在铁心的模态分析中,轴向振动阶数为零时,得到的二维定子模型和三维模型的崮有频率是相似的;...