悬浮式球转子压电作动器的设计及实验研究

针对机械转子式陀螺仪对支承和高转速的特定要求，设计出一种兰杰文振子和压电圆盘复合驱动的定子，从而在定子振动输出面获得足够振幅的行波运动，实现对球转子的超声近场非接触支承和高速驱动。对圆盘定子进行了结构动力学设计，使其工作频率与兰杰文振子频率基本一致。样机模态实验表明复合定子频率一致性较好。通过悬浮高度和转速测试发现，转子悬浮稳定，转速与驱动频率有关，在200 V激励电压下的共振频率附近可获得最大转速3 880  r/min。     

圆柱形三自由度超声电机输出性能的仿真设计

研制了一种基于两个二阶弯振模态和一个一阶纵振模态的圆柱形三自由度超声电机.其定子的长度、直径和质量分别为20 mm,56 mm和130 g;转子直径为25 mm;转子绕X、Y和z-轴的空载转速分别为33、35和66 r·min-1,堵转矩分别为24.8、36.6和30.2 mN·m.根据圆柱形三自由度超声电机的结构和工作原理,建立了它的输出性能仿真数学模型.用有限元方法对定子进行结构动力学分析,得到定子上各驱动点的工作频率和工作振幅,计算驱动点的位移和速度;假设定子和转子是弹性接触的,即定、转子之间的接触点由一系列弹簧相连接,根据定、转子的相对运动和胡克定理,计算出每个接触弹簧的变形和弹性力;计算定、转子之间的摩擦力;进而计算出电机的输出力矩、功率损失和驱动效率.根据所建立的数学模型,用MATLAB软件编制了仿真设计程序,计算出电机的输出性能,并与实验结果进行了比较和分析.实验显示,当输出转矩较小时,仿真结果与实验结果符合良好;随着输出转矩的增加,二者之间的误差逐渐增大,而且实验值小于仿真值.结果表明,实际输出性能的下降是由定、转子之间的打滑造成的.电机输出性能仿真的实现,将为电机的性能预估和优化设计打下理论基础.     

单相激励旋转步进超声电机原理

结合模态旋转型步进超声电机和自校正步进超声电机的特点,提出了一种单相激励的旋转步进超声电机原理。该电机具有开环控制下,无累积误差的特点。采用同一种工作方式实现驱动和定位,避免了自校正步进超声电机失步或多步的问题;克服了模态旋转型步进超声电机步距角较大的弱点,无需牺牲负载能力就可实现较小的步距角。制作的原理样机实验中未发现错步现象,其堵转力矩、步距角和单步运行最大误差分别为0.0032Nm、7.5度和0.6度。     

卧式板型直线超声电机的微型化

基于L1B4板型直线超声电机,研制了一种外型尺寸为36mm×5mm×4mm的卧式板型微型直线超声电机。论述了电机的工作原理和运行机理,使用解析法和有限元法进行了微型化结构设计,分析了定子的振动模态,并实现了频率简并。通过模拟压电激励的动态频率响应,对比了样机的5片压电陶瓷布置方案和常用的两片压电陶瓷布置方案的共振位移响应曲线,证实了采用5片压电陶瓷布置方案增大了输出端点处产生的振动位移。样机特性测试实验表明,当激励信号电压为150Vpp,频率为62kHz时,电机最大速度为183.7mm/s,输出推力为50mN。预期该电机可以用于电机安置空间比较狭窄且需要一定动力的直线驱动场合。     

一种用于鸭翼控制的摇头型双圆环压电马达研究

针对制导弹药平台对舵机的紧凑、直驱等要求,提出了一种采用夹心式换能器诱发双圆环弯曲振动的复合型压电定子结构,由此可构成结构精巧的摇头型双圆环旋转压电马达,用以驱动鸭式舵翼产生特定的偏转运动。该马达中的复合定子主体为一个具有四片压电陶瓷片的夹心式换能器,分别在换能器两输出端设计了利于放大振幅的环形圆盘;夹心式换能器的摇头运动激励出两端环形圆盘的五阶弯曲模态,通过圆环将输出振幅进一步放大;两个圆盘形转子在一定的预压力作用下与复合型压电定子两端的圆环表面保持紧密接触,通过摩擦将圆环表面的椭圆轨迹转换为转子的旋转运动。设计了可用于某制导系统鸭舵偏转操纵的直驱马达结构,建立了基于夹心式换能器的双圆环形定子结构动力学模型,通过有限元软件对定子的模态进行了仿真分析,设计并加工出了样机。搭建了测试平台对样机的输出特性进行了实验,测试结果表明：该双圆环（双）输出轴马达可实现双输出轴同时旋转,在300 V峰峰值的驱动电压下,最大转速可达190 r/min,最大输出扭矩可达0.07 N·m。     

斜动子与塔形定子构成的单驱双动超声电机

针对两相超声电机对模态频率一致性要求高及单相超声电机难于实现双向运动等问题,提出了一种单相驱动双向运动斜动子塔形直线超声电机。动子相对于塔形定子倾斜安装,利用塔形定子的面内对称模态或面内弯曲模态为工作模态,通过切换工作模态改变定子驱动足运动轨迹相对于动子的倾斜方向,实现动子正、反向运动。在分析电机工作原理及设计原则的基础上,推导了电机运行的导轨倾角适用范围,对设计制作的原理样机进行了模态实验和机械特性测试。实验表明,在导轨倾斜角为35°,激励电压为500 V,预压为力4.5 N的条件下,面内对称振动模态工作时的最大空载速度为79 mm/s,最大输出力为0.5 N;面内弯曲模态工作时的最大空载速度为756 mm/s,最大输出力为0.8 N。     

Output characteristics and experiments of a novel low frequency rotary piezoelectric motor

In order to improve the output performance of a piezoelectric motor under low driving frequency, a novel rotary piezoelectric motor driven by two piezoelectric actuators is proposed that is actuated based on harmonic and friction driving mechanism. The motor uses two piezoelectric actuators to drive two amplifying mechanisms with π/2 phase difference to produce harmonic motion, and then drives the rotor to rotate through friction force. Based on the driving principle, the electromechanical coupling equations of the motor are established. And a test platform is built to test the output characteristics of the motor. The results show that fluctuation of harmonic force and output torque occurs when the motor operates at different positions. Under the driving voltage and frequency of 150 V and 5 Hz, the actual average output torque of the prototype is 3.08 Nmm. Moreover, fluctuation of harmonic force and output torque occurs when the motor operates at different positions.

     

一种面内行波旋转超声电机的模态试验方法

为检验一种面内行波旋转超声电机定子结构动力学设计的优化设计方法,探讨了一类利用圆环面内弯振模态超声电机定子的模态试验方法.首先,分析了该面内行波旋转超声电机的工作原理;然后,基于有限元分析软件建立了电机的有限元模型,分析了其工作模态的特点;最后,结合PSV-300-B型激光扫描多普勒测振仪的测量原理,提出了通过测量圆环轴向振型识别该类型超声电机工作模态的测试方法.试验结果表明,该方法能够有效地检测出该面内行波旋转超声电机的工作模态,为利用圆环面内弯振模态的一类超声电机的模态试验和进一步优化设计提供了参考.     

旋转行波超声电机的冲击动力学模拟及实验

研究了冲击产生的高过载对旋转型行波超声电机结构和性能的影响机理和规律。首先,结合旋转型行波超声电机的工作机理和结构形式,建立了该型超声电机在冲击载荷下的有限元模型,利用显式算法模拟其在冲击过载环境中的暂态过程,分析电机的定、转子及压电元件等部件的应力和应变分布规律,研究和评估了目前超声电机结构对瞬时超大过载的耐受情况;其次,设计了特定夹持装置,对旋转型行波超声电机的耐过载特性进行了马歇特锤击实验,实验结果很好地印证了理论分析结果;最后,综合理论和实验结果评定了当前典型的旋转行波超声电机结构在特殊使用环境中的耐过载能力及易损伤部件。实验结果表明,紧凑和简单的结构特点使得超声电机本身具有较好的适应大过载环境的工作能力,在直接承8千个重力加速度冲击过载后仍能维持一定的输出特性。     

单模态驱动的V形板结构直线超声电机

为克服双模态超声电机频率一致性的限制和进一步提高V形直线超声电机的输出性能,设计了一种板结构直线超声电机。该电机包括V形定子和直线导轨,定子由2个相互垂直的板结构振子构成,驱动足位于2个变截面梁的连接点上。利用两振子弯曲振动形成的对称和反对称模态,通过两相模态切换,实现电机的双向运动。研制了样机并对其进行了模态实验和机械输出特性测试。借助三维激光测振仪分别测试了驱动足在接触和不接触导轨情况下的运动轨迹,阐述并验证了单模态超声电机的驱动机理。实验结果表明,该电机具有良好的机械输出特性:最大空载速度为690 mm/s,最大推力达100 N,推重比达59.7。     

圆柱形多自由度超声电机特性的实验研究

从提高驱动效率、改善输出性能的角度出发,研制了一台新结构形式的圆柱形多自由度超声电机,对电机定子的工作模态和电机的输出性能进行了测试.电机定子的模态实验表明,无论是工作频率的一致性、驱动端的振幅,还是压电陶瓷元件与工作振型的相互位置关系,均较好地满足了设计要求.电机输出性能的测试结果表明,电机的输出转速和输出转矩得到显著提高,电机的性能体积比超过国外同类型、同规格的电机.     

超声电机多定子同步驱动技术的研究

研究多定子超声电机同步驱动技术,通过多定子同步驱动增加电机的驱动力(矩),解决目前单定子驱动电机输出功率不大的问题,并且以两个定子同步驱动为例,分别给出了采用分立元件、AVR以及DSP 3种器件设计驱动电路的方法,比较分析了各自的优缺点,并指出多定子同步驱动可有效提高电机运行的可靠性和稳定性,探讨了同步驱动技术今后的发展趋势。     

新型行波压电电动机的结构研究及理论分析

环型和圆盘型行波压电电动机小直径条件下,输出性能逐渐失去低速大力矩的特点。由于结构限制,其定转子的动态点接触导致电动机运转不平稳、磨损大和驱动力矩小等不足。针对这些不足提出一种新型行波柱面驱动压电电动机,将传统的点接触改进成现在的线接触,即环型或圆盘型定子改进成圆柱型定子。阐述了行波压电电动机的运行机理以及电动机驱动系统原理。通过对压电电动机定子结构的振动理论分析,证明此新型结构电动机符合一般压电电动机形成驱动及正常工作的基本条件。利用ANSYS有限元软件分析电动机定子的振动模态, 给出选取振动模态的理论依据。制作了直径为20 mm的柱面驱动压电电动机,并对其输出特性进行测试,得到测试结果为输出力矩／质量比是0．426。     

Concepts for a class of novel piezoelectric self-locking long-stroke actuators

The friction-type motor is the most common type in the field of piezoelectric motors. One limitation of friction-type motors is their inability to achieve high output push force or torque. Based on the theory of self-lock, a novel mechanism for the linear piezoelectric motor is proposed. On the basis of the proposed mechanism, three prototype models have been developed. The new motors transfer the force and displacement generated by a piezoelectric actuator to the output directly, whereas the friction-type motor transfers via the induced friction between the stator and the rotor. The achieved positioning precision is within 10 nm, while the push force is up to 1,176 N. The new motors can be applied in cases where both high positioning precision and heavy load are essential.     

螺旋驱动杆式行波型超声电机

设计了一种螺旋驱动杆式行波型超声电机,初步分析了其驱动机理。推导了螺纹牙型角与定子长度以及转子直径三者之间的关系,并以提高螺纹驱动效率为目标函数,确定了电机主要结构尺寸,优化了用于放大振幅的定子凹槽结构。加工制作了样机,并搭建了试验装置,测试了电机的主要性能参数。试验表明：电机实际工作频率为24.5kHz,与仿真结果基本一致;调节相差可实现正反转控制,启停灵敏;在220V驱动电压下,电机最大空载转速为40r/min,堵转轴向力为1.7N。     

超声电机的预压力特性分析与优化

预压力是保证超声电机定转子摩擦驱动的关键因素,开展预压力特性分析及优化方法研究对于提升电机性能及使用寿命具有重要意义。本文通过仿真分析了预压力对接触角及驱动区占比的影响,实验测试了预压力变化时的速度波动规律,并绘制了在不同预压力和转矩下的速度与效率曲面;借助编码器与薄膜温度传感器获取了不同预压力条件下电机工作200 s的速度与定子界面温度的变化过程。综合上述分析结果,提出了一种面对不同应用场合的预压力优化准则,确定了预压力的理想工作区间。实验结果表明,伴随着预压力的增长,接触区与驱动区同步扩展,同时驱动区占比逐步减小,在一定程度上能减小速度波动,电机最大效率点逐渐向大转矩方向移动,且机械效率在某个预压力下存在最高值,而界面温升则呈现先增大、后减小再增大的趋势。根据所提出的优化准则确定出TRUM60A型超声电机预压力较为理想的工作区间为260~320 N,在该预压力范围内,超声电机既能较好地满足低速稳定、温升小的要求,又能使制动力矩和机械效率达到理想范围。     

超声电机宽温域低损耗压电与摩擦功能材料

为了提高超声电机的环境适应性与能量转换效率,本文分析并制造了宽温域低损耗的新型压电材料与摩擦功能材料,提出了通过相结构调控、增加第三组元、引入偶极子缺陷钉扎畴壁等手段制备宽温域低损耗压电陶瓷材料的设计与制造方法;为了提高超声电机摩擦界面能量传递效率及环境适应性,设计了具有高摩擦系数、低磨损率且耐高温的聚酰亚胺复合材料。结果表明,与传统材料相比,新型压电陶瓷材料具有低介电损耗、高机械品质因数及高温度稳定性的优势,使超声电机的能量转换效率提高3.3%,而新型聚酰亚胺基摩擦材料在摩擦系数、耐磨性以及温度范围等指标上均有明显提高,使电机的最大效率提高了6.19%。综合两种新型材料后,超声电机的最大效率提升了13.6%,可靠工作温度从-40~70℃提升至-60~120℃。本文提出的压电与摩擦功能材料既增强了超声电机的环境适应性,也改善了电机输出性能,对超声电机在航空航天等高端装备中的应用具有重要的意义。     

Design and experimental evaluation of a precise and compact tubular ultrasonic motor driven by a single-phase source

A precise and compact tubular ultrasonic motor driven by a single-phase source is proposed and tested in this study. The motor is designed by modeling a motor stator in FEM software. The motor fabricated according to the design is tested experimentally and its working characteristics including speed and torque are measured and presented. The maximum speed and torque of the motor are 59 rpm and 0.28 mN m at 80 V_pp of applied voltage. The proposed motor possesses advantages such as a simple and compact structure with application in the fields of robotics, space, medical devices and high-resolution stages, among others. The proposed motor is a good candidate for applications where accurate control and high resolution at low speed is required.     

超声电机伺服控制的研究评述

为改善超声电机性能,实现超声电机快速、准确、稳定的控制,对于超声电机的现有的伺服控制策略和方法进行评述和比较,并且根据超声电机运动机理不同于传统的电磁电机,具有复杂的动力学现象及时变、强非线性等特点,提出了基于参考模型的模糊神经网络控制方法、遗传算法或其他的组合控制方法将是适用于超声电机的控制策略。     

Bi-modes alternation stepping ultrasonic motors

Based on the principle of alternative operation of two bending vibration modes in an annular stator, this paper presents a standing-wave stepping ultrasonic motor characterized by no accumulative errors driven by an open-loop control circuitry. The driving forces are generated from the motions of projections on the stator in two modes. The positioning of the motor is achieved by the cooperation between the stator projections and rotor teeth, and the number of the rotors determines the stepping angle of the motor. Two-phase sinusoidal signals corresponding to the two modal frequencies drive the motor bi-direction stepping rotation via a switch unit. The prototype runs steadily without miss-step on trial. The single-step angle displacement of the motor is 2.5°.