Modal disturbance investigation of rod-shaped ultrasonic motor using bending vibrations

Modal disturbance of a rod-shaped ultrasonic motor using bending vibrations can cause problems such as low motor efficiency, instability, and poor control. In this paper, a dynamic analysis model of a stator is created on the basis of the finite element method (FEM) and Hamilton principle. The modal frequency sensitivities of the stator to the structure parameters are investigated by modal analysis. Accordingly, the structure parameters of the stator are modified to separate working modes from disturbance modes. A rod-shaped ultrasonic motor stator is fabricated, and the experimental results of its amplitude frequency response characteristics show that the purpose of modal separation is achieved. The frequency separation between working modes and disturbance modes is more than 2 kHz. The validity of the method is verified. __________ Translated from Piezoelectrics & Acoustooptics, 2008, 30(6) [译自: 压电与声光]     

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.     

超声电机定子模态频率的调节

Langevin振子型杆式超声电机利用两个空间正交、同频的弯曲振动模态工作.由于Langevin振子具有预紧力沿周向分布不均、加工有误差和材料不均匀等缺陷,加工好的电机定子两相弯振模态频率往往不一致.本文从理论上分析了两相模态频率不一致对电机输出性能的影响,并提出了一种调节电机模态频率的方法.通过结构摄动理论可知,当在电机定子的合适位置去除或增加一块质量时,能改变其模态频率.求解定子的动力学方程,得出了定子修改后的模态频率.通过有限元分析和模态分析,确定了定子修改的合适位置.最后制作了定子样机,对修改前后的定子模态频率进行了测试.结果表明,两相弯振模态频率之差由原来的1 860 Hz调整到了0 Hz,验证了本文方法的正确性.本文方法在定子装配好的状态下,对其两相频率进行调节,可以降低超声电机的制作成本,提高电机的输出性能.     

四足直线超声电机模态频率一致性调节

在分析四足直线超声电机工作机理的基础之上,指出超声电机定子两工作模态频率不一致会影响超声电机的输出性能和效率。针对这一问题,根据初等结构摄动理论,结合四足直线超声电机定子动力学方程,借助有限元分析软件,找到了调节四足直线超声电机定子两相工作模态频率一致性调节的合理位置,以及对该位置进行修改时修改量与定子两工作模态频率差值的关系。对某一样机定子进行了频率一致性调节试验,该样机定子两相模态频率差值从调节前的400Hz减小到82Hz。试验结果表明,采用这一方法对四足直线超声电机定子模态频率进行一致性调节是方便且有效可行的。     

利用面内弯曲模态的超声电机定子有限元分析

运用有限元方法对利用平面内弯曲模态超声电机定子进行了模态分析,获得了三种不同类型的面内振动模态,并讨论了电机结构参数对其模态频率的影响,在此基础上得到了一些有益的结论,为利用平面内旋转模态设计超声电机定子提供了理论依据。     

超声电机定子振动分析的模态选择方法

在超声电机定子振动模态有限元分析的基础上,对结构模态截断,仅保留特定的模态,实现了模型降阶。用APDL实现了从有限元分析结果中自动提取特定的模态参数和相应等效电路模型的电学参数。仿真计算了定子的机械和电学响应,与实验数据对比表明,减缩的低阶运动模型保持了原系统的主要特性。     

UMT60行波型超声电机定子模态分析

超声电机定子结构的振动特性决定了该结构对各种动力荷载的响应情况,对UMT60行波型超声电机定子进行模态分析,得到定子的振动特性,即固有频率和振型,为超声电机的各种动力分析提供依据.     

超声波电动机定子非线性特性的时频分析与工作模态快速确定

分析目前超声波电动机定子工作模态设计试验方法的不足;分析非线性系统频率响应特征;分析非线性系统隐含于线性调频激励响应中的非线性信息,指出在超声波电动机定子特征频率分析中引入时频联合分析方法的优越性。在所开发的超声波电动机面内振动测试系统中,用时频分析方法获取定子线性调频激励下的振动响应时频谱,可以方便快速地揭示定子的特征频率和定子的非线性信息,为判定超声波电动机定子是否存在非线性特性从而为合适工作模态的快速确定提供科学依据。     

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°.     

双足型直线超声电机的实验研究

研制了一种新型直线超声电机,首先对其驱动机理进行了探讨,设计了电机的具体结构。其次对振子进行了频率响应实验,模态实验,实验表明电机可有效激励出所需振型。分别测定了电机的频率-速度关系、电压-速度关系、相位-速度关系。电机运行中正反两向运动灵活,工作状态稳定,速度基本与输入电压成正比,可采用调压调速;其最大无负载速度可达76 mm/s,最大输出推力2 N,达到了预期设计的目的。     

基于响应面的三自由度超声电机定子设计优化

针对超声电机定子设计过程存在的定子设计模态与干扰模态分离不彻底、定子振动幅度小、定子振动时局部内应力较大等问题,提出了基于响应面模型的电机定子设计优化方法。首先,通过选取合适的定子设计尺寸作为变量,拉丁超立方抽样方法在设计空间内选取样本点;其次,对各样本点的组合得到的定子尺寸结构进行有限元分析,得到定子的模态和谐响应值从而建立定子的响应面模型;然后,利用遗传算法在响应面模型的基础上对定子进行优化;最后,使用有限元软件对优化前后的定子进行建模计算验证了优化结果的正确性。     

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。     

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.     

Principle and experimental verification of novel dual driving face rotary ultrasonic motor

Existing rotary ultrasonic motors operating in extreme environments cannot meet the requirements of good environmental adaptability and compact structure at same time,and existing ultrasonic motors with Langevin transducers show better environmental adaptability,but size of these motors are usually big due to the radial arrangement of the Langevin transducers.A novel dual driving face rotary ultrasonic motor is proposed,and its working principle is experimentally verified.The working principle of the novel ultrasonic motor is firstly proposed.The 5th in-plane flexural vibration travelling wave,excited by the Langevin transducers around the stator ring,is used to drive the rotors.Then the finite element method is used in the determination of dimensions of the prototype motor,and the confirmation of its working principle.After that,a laser Doppler vibrometer system is used for measuring the resonance frequency and vibration amplitude of the stator.At last,output characteristics of the prototype motor are measured,environmental adaptability is tested and performance for driving a metal ball is also investigated.At room temperature and 200 V(zero to peak) driving voltage,the motor’s no-load speed is 80 r/min,the stalling torque is 0.35 N·m and the maximum output power is 0.85 W.The response time of this motor is 0.96 ms at the room temperature,and it decreases or increases little in cold environment.A metal ball driven by the motor can rotate at 210 r/min with the driving voltage 300 V(zero to peak).Results indicate that the prototype motor has a large output torque and good environmental adaptability.A rotary ultrasonic motor owning compact structure and good environmental adaptability is proposed,and lays the foundations of ultrasonic motors’ applications in extreme environments.     

一种新型杆式行波型超声电机的研究

以提高新型杆式超声电机转速、负载能力和能量转换效率为目标 ,对电机定子、转子的结构和接触模型进行了研究。以有限元分析计算为基础提出了新的电机定子结构 ,使定子在定子、转子接触面处的振幅加大 ;提出并应用了柔性转子的概念 ,使定子、转子在接触面上的径向相对滑动大为减小。用实验方法对电机机械性能进行了测试和分析 ,得出电机定子 (兰杰文振子 )的预压力以 2 0 0 0N左右为佳 ,定、转子间最佳的预压力 35N。实测工作频率为 38.7kHz时 ,无负载转速为 2 2 5r/min ,堵转力矩为 4 2N·m ,达到了设计要求     

大力矩应力型纵扭复合超声电机

研究了一种双转子应力型纵扭复合型超声电机,对该电机进行了结构设计,提出了纵振压电陶瓷片全部放置在定子端面上的结构,同时深入分析了电机的工作机理。利用有限元分析软件ANSYS详细分析了影响定子1阶扭振模态和电机整体2阶纵振模态的结构参数,并提出了针对应力型纵扭复合超声电机的模态频率一致性的设计方法。对研制出的Φ20 mm双转子应力型纵扭复合超声电机样机进行了振动特性以及使用不同预压力弹簧时的负载特性实验研究,结果表明:电机的纵振特性与施加在转子上的预压力有关;使用非线性预压力弹簧时,电机输出负载特性较好,其中Φ20 mm样机的堵转力矩达到了1.28 N.m。     

考虑叶片-定子副动压效应的高压叶片泵叶片优化研究

考虑叶片-定子副之间的动压效应,研究了叶片结构参数对叶片泵工作性能的影响,针对不同参数的叶片,采用ADAMS和Fluent软件对高压叶片泵叶片-定子副进行了动力学、流体动压仿真分析和模态分析。以S25VQH子母叶片泵为研究对象,详细分析了叶片结构参数对叶片-定子副之间相互作用力、叶片-定子副之间动压和振动噪声的影响规律。结果表明,优化后的叶片结构使得叶片-定子副之间相互作用力减小,叶片-定子副之间动压和固有频率显著增加;减小了叶片-定子副之间的摩擦磨损和振动噪声,一定程度上延长叶片泵使用寿命。最后,进行了综合台架实验,实验结果与仿真分析结果具有较好的一致性,验证了仿真结果的正确性。     

大型分体式磁轴承电动机系统定子模态分析

准确分析定子固有模态对低振动噪声电机系统优化设计和控制有十分重要的意义。针对大型分体式磁轴承电动机系统,采用有限元仿真方法分析轴向磁轴承定子绕组、径向磁轴承定子叠片结构、机座螺栓连接以及底座附加质量对大型分体式磁轴承电动机系统定子模态的影响。结果表明:轴向轴承定子绕组对定子固有频率影响较大,宜采用质量计入铁心的方式处理;径向轴承定子叠片结构对定子固有频率的影响较小,可按各向同性处理;机座螺栓连接刚度对机座固有频率有一定影响,但当连接刚度远大于机座刚度时,影响较小;底座附加质量对整机模态频率有一定的影响,但对不同振型的固有频率的影响效果相差较大。计算了整机的模态频率,并与振动试验结果进行了对比验证。     

环形行波式超声马达的输出特性及实验研究

在假定超声马达的定子与转子的接触形式符合刚体与分布弹簧模型的条件下，通过对超声马达定子的振型、固有频率以及强迫振动的分析，导出了定子表面振幅与激振参数的关系，进而建立了超声马达的数学模型。实验结果证明了理论分析的有效性。