液体媒质超声波电机定子振动的有限元分析

液体媒质超声波电机定转子不直接接触,而是利用液体将定子振动的机械能传递给转子,从而克服了接触型超声波电机的不足,是超声波电机一个新的研究方向.本文针对液体媒质超声波电机与接触型超声波电机能量传递方式上的不同,建立了电机定子有限元模型,通过定子模态、谐响应和电压激励时的动态分析,获得了电机的振动频率及接触面上定子质点的运动轨迹,在此基础上讨论了定子振动对电机运行特性的影响,并研究了压电片引起的定子振动的变化,给出了压电片厚度与振动幅值及谐振频率的关系曲线.最后测量了不同电压频率、不同液面高度时电机的转速,实验结果验证了理论分析的正确性.     

液体媒质超声波电机运行特性的实验研究与分析

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，有效地克服了接触型超声波电机的易磨损、不能长时间连续工作等缺点，是超声波电机领域的一个新的研究方向。结合液体媒质超声波电机的基本结构及运行机理，文中阐述了电机运行过程中将超声振动所产生的能量通过液体传递给转子，从而驱动转子旋转这一能量传递的基本过程，揭示了液体中的雷诺剪切应力是电机声流场的驱动力。然后，用实验测定了电机转速与驱动频率、驱动电压、液体粘性、液位高度和转子半径之间的关系。并对实验结果进行了比较分析，且在此基础上结合本电机的运行机理以及驱动控制系统、液体环境和转子半径等因素对电机转速的影响，对液体媒质超声波电机的运行条件进行了优化分析。     

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。     

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。     

液体媒质超声波电机中液体媒质的负载效应

针对液体媒质超声波电机中存在的液体媒质对定子振动特性的影响,阐述了液体媒质超声波电机的工作原理,并在此基础上利用声场和定子振动的耦合方程研究了液体媒质的负载效应,分析了液体媒质对定子谐振频率的影响.利用ANSYS建立电机有限元模型,通过耦合场分析研究了液体媒质的高度、密度和声速与定子谐振频率的关系.分析发现,随着液体高度、密度的增加,负载效应增强,定子谐振频率降低;而当声速增加时,负载效应减弱,定子谐振频率增加.实验结果证明了理论分析的正确性.     

基于频率跟踪的液体媒质超声波电机转速模糊控制系统

针对液体媒质超声波电机结构和激励方式的特点,提出一种基于频率跟踪的转速辨识方法.利用超声波电机定子等效电路,分析了驱动电压、支路电流相位差与电机驱动频率、谐振频率的频率差之间的关系,结果表明此相位差描述了电机的振动状态,可作为转速辨识值.控制系统采用调频调速策略,模糊控制器根据速度给定值和辨识值的偏差和偏差变化量调节驱动电压的频率.实验证明,系统能够补偿液体参数改变引起的电机谐振频率的变化,快速准确地跟踪速度指令.     

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。     

基于有限元法的液体媒质超声波电机内部声流场分析及饱和流速研究

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、转子并不直接接触。该文介绍了液体媒质超声波电机的基本结构及运行机理,阐述了电机运行过程中能量传递的基本过程,揭示了液体中的雷诺应力是电机声流场的驱动力。文章基于Kuznetsov非线性波动方程有限元方法,对液体媒质超声波电机内部声流场进行数值仿真。由声场中的液体微粒振动速度计算声流场驱动力,随后在流体域内用有限元法计算液体的流速。仿真中分别考虑了声场衰减、定子驱动电压及声场非线性对声流场驱动力与液体流速的影响。在数值分析的基础上,对电机运行过程中存在的饱和流速问题进行了进一步的分析。实验结果验证了有限元分析的有效性。     

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。     

径向和切向结构永磁同步发电机的比较研究

针对径向结构和切向结构永磁同步电机结构上的不同,分析了转子加工和装配方面的差异。利用磁路和有限元的计算方法,探讨了两种电机在发电状态下的性能差别,研究了产生这些区别的原因。指出:径向结构永磁同步发电机的电压调整率、谐波失真率小于切向结构永磁电机,外特性较切向结构电机硬;其运行的稳定性要大于切向结构电机;漏磁较小,转子装配工艺简单。     

短柱型超声波电机两相振动频率的简并

柱体型超声波电机依靠圆柱定子的弯曲振动驱动转子旋转。柱体型结构电机的激振效率高，装配工艺简单，有着十分广阔的应用前景。该文研究的是一种新型短柱型超声波电机，介绍了它的结构和运行机理；分析了不同边界条件下该电机的振动特性；采用弹性支撑和改变压电陶瓷激振方式，实现了电机两相振动频率的简并。     

等离子体激励频率对压气机扩稳效果的影响

为考察放电频率对压气机扩稳效果的影响,实验研究了定常等离子体激励和非定常等离子体激励的扩稳效果。实验在单转子轴流压气机实验台上进行。压气机转速为900r/min时,采用激励电压峰峰值为14.8kV、功率为180W定常等离子体激励可以获得1.1%的扩稳效果。压气机转速提高至1 200r/min,采用定常等离子体激励无法实现扩稳,而采用非定常等离子体激励可以获得近2%的扩稳效果,且功耗为36W。可见相较定常激励,非定常激励的扩稳效果好且功耗低。通过分析电压波形,发现目前使用的非定常等离子体激励电源输出电压波动较大,这样易于发生爬电,限制了等离子体流动控制的效果,因此还需要进一步改进等离子体电源以获得更规则的电压波形。     

Mechanism analysis and output characteristics experiments of an ultrasonic motor with circumferential surface drive

A kind of ultrasonic motor, whose rotor is driven by stator’s inner circumferential surface, has been designed and fabricated. The paper has analyzed the stator deformation characteristics under bending mode by using finite element method, identified the motor’s working mechanism with two-phase voltage drive, and studied the different functions of tangential and radial displacements of the stator’s inner circumference small teeth under bending mode and pointed that the above mentioned displacements along two directions of small teeth could drive the rotor continuously with single-phase voltage. The paper has discussed the motor’s rotary direction reversing and put forward a concrete scheme of reversing with single-phase voltage drive. The mode of the stator was obtained by experiment. Under two-phase and single-phase voltages, running experiments of the motor have been accomplished and the corresponding characteristics curves have been drawn. Taken above analysis result as driving mechanism, a kind of thin-type standing ultrasonic motor can be developed further.     

球形行波型超声波电机的驱动数学模型

球形行波型超声波电机可以实现球面轨迹的运动,但是目前其设计仍处于经验阶段。该文从球形行波型超声波电机的原理与基本结构出发,利用坐标变换关系得到转子运动时定、转子接触面上接触力的分布情况,分析了行波定子与球转子接触点的摩擦驱动力和摩擦阻力。根据运动稳定时球转子的力和力矩平衡及行波定子的轴向力平衡关系,得到球形行波型超声波电机的驱动数学模型。通过仿真分析了结构参数和行波定子特性的影响,初步验证了上述模型。     

Design of a novel type ultrasonic motor for high torque generation

A novel type ultrasonic motor is proposed. Newly designed motor consists of two stators and a rotor. Each stator is stacked up both sides of ring type rotor. Hence, the driving force transmitted to the rotor enlarges and higher torque can be produced from the proposed motor. Particularly, this motor need not install any spring device. Rotor structure is designed especially to deliver the created pressure when the stator vibration occurs. Its stall torque was 1.4 Nm and no—load speed was 92 rpm respectively. The highest efficiency was 7.5 % at about 55 % of stall torque and the maximum mechanical output power was 3 W. The applied driving voltage condition was 80V_rms at 44.5 kHz. From the experiment results, the torque enlargement was realized in proposed model in comparison with the commercial motor. However, the performance for revolution speed, mechanical output and efficiency was inadequate relatively. If the repletion is achieved through the succeeding study, the proposed model would contribute to the expansion of ultrasonic motor application scale.     

永磁型无轴承电机无径向位移传感器运行研究

在分析悬浮绕组电感与转子径向位移线性关系的基础上,针对永磁型无轴承电机无径向位移传感器运行的需要,分析了一种基于悬浮绕组高频信号注入的转子径向位移估算自检测方法,讨论了利用高频信号注入、悬浮绕组差分电压提取及转子径向位移跟踪观测器设计等位移检测原理和实现技术,并应用这种位移检测方法建立了永磁型无轴承电机无径向位移传感器控制系统.仿真研究表明,该位移自检测方法能在永磁型无轴承电机全速范围内准确地观测出转子的径向位移,实现无径向位移传感器方式的稳定悬浮运行.     

基于鲁棒H无穷滤波的步进电机转子状态估计

为有效控制步进电机的运行,根据H无穷鲁棒滤波理论,设计了基于扩展H无穷滤波的步进电机状态观测器,并建立数学模型,将定子电流、转子转速和位置作为状态变量。通过测量定子侧的电流值和电压值,利用扩展H无穷滤波器对电机转子的状态做出最小方差估计。仿真结果表明,扩展H无穷滤波估算转子转速和位置信息是可行的,且扩展H无穷滤波精度和稳定性都优于扩展卡尔曼滤波。