超声波电动机胶粘技术及其对定子特性的影响

针对行波型超声波电动机定子压电陶瓷(Piezoelectric,PZT)的胶粘问题,通过对定子的机电耦合效应有限元动力学模型的分析与计算,研究了胶粘层材料特性、厚度对超声波电动机定子振动特性的影响。重点分析不同激励条件下定子边缘缺胶和夹有气泡对胶层的抗剪切能力和定子振动特性的影响;分别从改进电动机定子结构和PZT粘结工艺方面探讨了提高胶粘层抗剪切能力的措施,确定了胶层最佳参数和电动机定子胶粘工艺及结构优化设计思想。结果表明：胶层厚度对电动机定子频率影响不大,但对其振动特性的影响较大,在保证可靠的粘结强度下降低胶层厚度有利于提高电动机性能。基于该工艺和设计思想研制的直径80 mm行波型超声波电动机性能稳定,堵转力矩达到1.2 N·m,空载转速80 r/min,研究结果有助于超声波电动机的产业化。     

基于能量等效的行波型超声波电动机解析模型

提出一种基于能量等效的行波型超声波电动机稳态特性分析计算的解析模型.首先通过能量等效原则将压电复合定子环简化成复合等直梁模型,综合考虑压电复合定子的转动惯量和剪切变形的影响,利用铁木辛柯梁振动理论得到电动机定子振动的频率方程和强迫振动稳态解:其次,对电动机定、转子接触面的滑动状况进行分析,利用弹性接触理论确定了定、转子接触面的力传递模型和效率表达式,通过把定、转子接触面的摩擦损耗和转子的输出功率视为定子强迫振动的等效阻尼损失,由此建立电动机的机械特性和输出功率表达式;最后,仿真和试验分析了不同电动机结构和材料参数以及定子预压力、驱动频率和摩擦层厚度等对电动机振动特性和机械特性的影响,试验证明了该模型的有效性和适用范围.     

超声波电机定子支撑部分的结构优化分析

超声波电机定子支撑部分的结构对定子振动频率会产生一定影响.介绍了有限元分析软件ANSYS Workbench 及其在超声波电机定子模态分析中的应用,并以直径50 mm超声波电机为例,基于ANSYS Workbench,分析了超声波电机定子支撑部分的位置、宽度、厚度对电机定子固有频率的影响,并对定子支撑部分进行了结构优化分析.优化分析结果表明,该方法具有广阔的推广应用前景.     

基于粘弹性接触模型的行波型超声波电动机特性模拟

基于粘弹性摩擦层在定子表面的行波超声波电动机接触模型,利用MATLAB方法,模拟分析了摩擦材料的厚度和弹性模量对电动机特性的影响。分析结果表明,摩擦材料厚度越小,弹性模量越大,电动机的负载特性越好。当摩擦材料的厚度在0．5 mm以下、负载力矩在36 N·mm以上时,界面转换效率值较高。而当磨擦材料的厚度在0.2 mm左右时,界面转换效率有一个最大值。因此,摩擦材料的厚度一般应选择0．2 mm。当摩擦材料的弹性模量大于1．5 GPa时,在较大的负载力矩范围内,电动机的界面转换效率均较高,因此电动机具有较好的驱动能力。这些结果对电动机摩擦材料的选择有一定的理论指导意义。最后将此模型与现今研究较多的柔性转子和刚性定子模型进行了比较。结果表明,以此模型为基础的行波型超声波电动机可以获得较大的输出力矩。     

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。     

行波型超声波电动机摩擦材料的寿命预测模型

针对转子摩擦材料与定子的动态接触过程,提出摩擦材料的磨损是由定子上的波峰一次次包络而产生。借助行波型超声波电动机定子和转子的粘弹性接触模型,推导出法向压力分布和定子与转子相对滑动速度函数,代入Archard经典磨损计算公式,建立了行波型超声波电动机摩擦材料的磨损寿命预测模型。在建模中,利用了行波中位移和时间参数之间的特定关系,分析定子和转子的接触区间大小,并考虑摩擦材料厚度变化。基于所建立的模型,模拟迭代出一种行波型超声波电动机的摩擦材料磨损寿命预测曲线。结果表明,磨损寿命预测曲线与试验结果相一致,证实了预测模型的合理性。     

超声波电动机面内振动模态试验测试系统

介绍了所研制的超声波电动机面内振动模态试验测试系统。系统通过X-Y数字控制移动平台实现测点点阵的自动定位;只用一个一维面内振动激光测头,基于分量测量方法,通过90°转台实现了测点面内振动二维矢量的测量。该系统可以测试测件面内振动模态频率和定频激励下的振型,适用的超声波电动机定子表面形状包括矩形、圆环形,也可以测试直线分布点阵的面内振动模态。该系统的研制成功填补了国内外空白。     

行波型超声电动机定子振动模型及其驱动设计

利用复合梁振动理论对典型结构的行波型超声波电动机(TWUSM)的振动特性进行了研究。根据定子结构的特点,将定子简化为一系列简支梁,由此建立了描述定子在逆压电效应作用下的强迫振动模型。此外,该模型还考虑了粘滑阻尼转矩和外部阻尼力的影响。最后借助于广义模态方法对该方程进行了求解,从而获得了在不同控制变量和不同结构参数下TWUSM的振动特性。为验证模型的准确性,设计制作了一台TWUSM样机和专用驱动器。样机试验结果与模型的仿真结果具有较好的一致性,从而验证了模型的有效性。     

行波超声电动机的动力学模型

以半解析环形单元对旋转型行波超声电动机的定子进行径向离散,基于动态子结构和Guyan缩聚的思想提出考虑齿的影响的方法并得到了定子的半解析动力学模型,该模型在保证精度的同时达到缩减计算量的目的。分析定子上的齿和转子的三维接触驱动机理,结合转子的动力学描述得到了整个旋转型行波超声电动机较为完整的数学模型。由此给出的仿真结果与电动机的输出特性试验吻合,分析了齿对电动机特性的影响,并证明界面力沿径向的分量导致的能量损耗不可忽视,进一步指出若在接触模型中忽略界面上的径向滑动造成的损耗,其性能仿真与试验结果则有较大偏差。该模型较真实地反应电动机的特性,可用于旋转型行波超声电动机性能的精确预测和结构参数设计。     

扭纵复合型超声电动机的时域驱动模型

基于动力学原理，提出了一种扭纵复合型超声电动机（ＴＬＨＵＳＭ）的时域驱动模型。该模型可以模拟计算超声电动机的转速、转矩和效率等特性。试验表明，用提出的模型计算的超声电动机的负载特性和效率与试验结果一致。该模型可研究预压力、定子两路振动振幅及其振动相位差等输入参数对电动机负载特性的影响，用于指导这类超声电动机的设计和性能评价。     

蝶形双驱动足直线超声电机设计及实验

提出了一种新型双驱动足直线型超声电机.该电机利用联接成一体的两个振子的对称振动,在驱动足端面质点上可获得定/动子之间接触面的切向运动;利用反对称振动,可获得法向运动.同时,激励振子的对称和反对称振动在两个驱动足端面质点上町形成相同方向椭圆运动轨迹,从而驱动压在定子上的动子直线运动.采用有限无法分析了共振频率对结构参数的灵敏度,根据各灵敏度大小适当地调节了结构参数,使定子的两相共振频率基本达到一致.为了获得高速和大推力,前端盖选用硬铝材料,后端盖选用黄铜,压紧螺栓选用镀铬高强度钢材料.实验结果表明:在预压力为70N下,样机的空载速度为0.75 m/s,最大推力为16 N,是定子质量的22倍.     

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.     

基于扭振斜向贴片式应力型纵扭复合超声电机

设计了一种新型双转子应力型纵扭复合超声电机,并对该型电机的结构进行了设计; 提出了一种基于扭转振动斜向粘贴压电片方式,利用矩形压电陶瓷贴置在开有斜槽的圆形定子基体上的布局方案,用于激励出定子基体产生一阶扭转振动模态; 通过有限元软件计算出定子基体一阶扭振模态和定/转子整体的二阶纵振模态,并对两者模态的固有频率一致性进行设计。对设计的10 mm贴片式双转子应力型纵扭复合超声电机进行振动测试实验并选择其最佳的工作频率,实验结果验证该方案的可实施性。     

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.     

Analysis and measurement of lateral elliptic motion effect for an asymmetric disc-type ultrasonic motor

This paper presents an analysis and measurement method for studying lateral elliptic motion effect of an asymmetric disc-type ultrasonic motor whose stator is a circular disc with a bonded PZT plate serving as a drive. At the edge of the stator with a simple, fixed three-point support of a 120°–90°–150° configuration, there exists a coupled vibration wave with lateral elliptical motion so as to generate a driving force between the stator and the rotor. The equations of the lateral elliptic motion and the driving force are analytically formulated based on the wave equation on the circular plate, thereby obtaining the driving frequency and the revolution speed of the motor. The relationship between the ultrasonic stator and its boundary condition is investigated as well. The analysis shows that the circumferential edge with a 90° included angle is an optimal contact section for the placement of the rotor. Experiments using the laser vibrometer and photodetector are used to show the validity of the proposed analysis method.     

圆柱形多自由度超声电机椭圆倾角和接触角的研究

定子驱动端面形成的椭圆运动是实现超声电机驱动的关键，因而椭圆运动的性质直接影响超声电机的性能。分析了圆柱形多自由度超声电机驱动点的椭圆运动轨迹及其特点。在此基础上给出了椭圆倾角的计算公式，分析了椭圆倾角与接触角之间的关系，得到了最佳接触角。提出了保证最佳接触角的方法。通过实验，分析了接触角对电机输出性能的影响。     

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.     

ANSYS在超声波电机设计中的应用

为获得超声波电机的振动模态及谐响应特性,采用ANSYS有限元软件对直径为60mm的环形行波型超声波电机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,进行了电机定子的振动模态分析和最优模态选择,并在此最优模态附近进行了谐响应分析。分析研究结果表明,利用ANSYS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。