微小型驻波超声电机定子振动特性的仿真分析

针对直径10 mm的两种驻波型超声电机定子的振动特性进行有限元仿真分析。利用ANSYS有限元软件建立定子的有限元模型,进行了振动模态及谐响应的仿真分析,获得定子的主要振动模态、模态频率及振幅。探讨了2种压电陶瓷及定子长度对其谐振频率和振幅的影响。研究结果表明,驻波型超声电机定子上斜槽或斜齿结构可实现模态转换,是实现电机驱动的关键。在分析的两种驻波型超声电机的8个定子中,采用PZT4压电陶瓷材料、长度16 mm的斜槽式超声电机定子的振幅值最大。     

复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机研究

为了丰富旋转超声电机的型式,该文提出了一种复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机。选取定子的面内、外弯振作为电机的工作模态,阐述了定子驱动机理。建立了定子有限元(FEM)模型,对电机进行模态分析,基于两相工作模态频率一致性的目标对定子进行尺寸优化,最终确定定子的主要尺寸L、H、K、J、I、D分别为18.2 mm、3.2 mm、36 mm、4.3 mm、11.6 mm、3.4 mm,此时两相模态频率分别为37 851 Hz和37 959 Hz。对电机进行谐响应分析,以排除干扰模态的影响。对电机进行瞬态分析,当以250 V、37 800 Hz的信号激励时,x、y、z各向振幅可达393 μm、3.61 μm、4.12 μm。探究了电机的调压、调频及调相特性,设计了电机的装配结构,该电机有望产生较大的动力及速度。     

行波型杆式超声电机定子模态干扰的研究

行波型杆式超声电机定子模态干扰会造成电机工作效率低下,不稳定,难以控制等问题。首先利用有限元法和Hamilton理论,建立行波型杆式超声电机定子的动力学有限元模型;其次进行模态分析,求解各模态频率对定子结构参数的灵敏度,以此为依据进行结构参数调整,实现定子工作模态与干扰模态分离;最后制作了定子样机。其模态试验结果表明达到了模态分离的目的:定子工作模态频率至少在2 kHz范围内不存在其他干扰模态,从而验证了该方法的有效性。     

超声电机定子支撑结构的抗过载能力分析

为提高弹载舵机控制用超声电机的抗过载能力,该文选取超声电机最薄弱的定子支撑为研究对象,以其厚度、位置及宽度为设计变量,使用有限元分析法模拟炮弹发射时产生的10 000 g（g=9.8 m/s2）高过载环境,研究不同参数定子支撑的抗过载能力,设计出合理的超声电机定子结构。最后通过马歇特锤击实验得到优化前、后定子的高过载冲击变形情况,并使用磁滞测功仪检测装有冲击变形后两种定子的超声电机的输出性能。实验结果表明,采用优化后的定子结构的超声电机经大过载冲击后,其输出性能更好。     

SAMCEF在超声波电机设计中的应用

在微机电领域中,为获得超声波电机的振动模态及谐响应特性,利用SAMCEF有限元分析软件对直径为50 mm的环形行波型超声波电机压电转换器和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,进行振动模态分析和最优模态选择,并在此基础上进行了谐响应分析。分析结果表明,利用SAMCEF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。     

行波型球形超声电机定子的优化设计

提出了一种具有同步调心结构的球形超声电机,建立了电机驱动力矩的数学模型,重点对行波型定子进行结构优化设计。利用ANSYS对定子进行模态分析和谐响应分析;通过灵敏度分析确定结构参数优化变量,以最大干扰模态与工作模态频率差和最大定子表面振幅为优化目标,建立设计空间的响应面模型,采用多目标遗传算法(MOGA)进行优化求解得到Pareto前沿,最终确定结构参数并对定子试制件进行定扫频实验。测试结果表明,优化后的定子工作模态频率±2 kHz内无干扰模态产生,且定子两相驻波表面质点具有较大振幅,满足使用要求。     

基于半功率带宽法的行波超声电机谐响应分析

该文以本单位研制的中空行波超声电机定子为对象,进行了有限元建模及谐响应仿真,发现定子阻尼比的设置对仿真结果的准确性影响较大。通过多普勒激光测振系统测得定子模态参数,利用半功率带宽法求出定子模态阻尼比,代入模型后仿真跟实测结果基本吻合,工作模态B_(011)频率仿真误差为1.66%,振幅仿真误差为4.61%。将定子齿特征参数化,分析了齿距和齿高对定子模态的影响。根据低转速、大扭矩的电机设计目标选取了合适的齿参数,加工出新定子实物。基于同样阻尼比再次进行有限元仿真并对新定子进行激光测振,对比得到工作模态B_(011)频率仿真误差为0.62%,振幅仿真误差为1.94%,验证了有限元谐响应仿真的准确性。此外,对原定子和新定子组装的电机进行性能测试,后者最高空载转速降低了30%,堵转扭矩提升了20%,符合预期设计。准确的参数化有限元模型有助于促进超声电机的快速化设计,提高了对符合电机目标功能的设计参数的选择效率。     

解决超声电机定子模态混叠的有效方法

针对超声电机定子在设计过程中的模态混叠现象,从定子的灵敏度分析出发,利用有限元法,计算出旋转型行波超声电机定子的模态频率对各结构参数的灵敏度,寻找出分离超声电机定子工作模态与非工作模态的一般方法。文中以南京航空航天大学超声电机研究中心研制的某TRUM-60旋转型行波超声电机为例,对其工作模态与非工作模态进行了分离,计算结果表明,该文提出的方法能很好的把工作模态与非工作模态分开。试验也证明该办法是行之有效的。     

四音叉定子驱动的压电旋转电机动力学特性

提出基于四音叉式定子驱动的旋转超声电机,选定定子的一阶面外弯振与二阶面内弯振为工作模态,复合形成旋转运动。阐明了电机驱动机理,基于频率一致性优化得到音叉杆尺寸为24 mm×4.2 mm×5 mm,公共部分尺寸为12 mm×12 mm×3 mm。建立电机的有限元(FEM)模型,对电机进行谐响应分析,排除激励时产生干扰模态。采用激励信号幅值为250 V、频率为28 000 Hz对电机进行瞬态分析,得到动足的x、y、z向振幅分别为1.4μm、0.8μm和1.2μm。对电机进行运动特性分析,验证了该旋转电机具有良好的调频、调压、调相特性。     

基于MEMS与压电陶瓷钎焊的微型超声电机

面向超声电机定子的一体化与微型化需求,提出了一种基于钎焊与微电子机械系统(MEMS)工艺的微型超声电机定子。对超声电机的原理和结构进行分析,利用有限元法对定子的模态与谐响应进行了仿真。利用钎焊工艺将锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷与金属弹性体进行连接,通过MEMS与机械加工工艺对定子的驱动足、上电极等进行制备。对超声电机定子焊接情况进行表征,对超声电机的振动性能与驱动性能进行测试。测试了PZT压电陶瓷与金属弹性体的结合强度,两者之间的抗剪切强度为33.46 MPa,观察了焊接截面形貌,可看出各焊接层厚度均匀,无裂缝、孔隙。搭建实验平台对定子的振动性能与驱动性能进行了测试,微型超声电机的定子的谐振频率为188.15与266.16 kHz,最大振幅为228 nm,在激励电压为30 V、预压力为350 mN时,微型超声电机的最大速度为38.22 mm/s。实验结果表明,该超声电机定子钎焊情况良好,驱动性能较高,具有广阔的应用前景。     

行波型方孔定子超声电机结构设计与性能分析

该文提出了一种新型的方孔定子行波超声电机,并进行了参数设计、仿真分析和实验研究。定子由1个方孔金属体和4块压电陶瓷片组成,通过与直径大于定子内边长的转子配合发生弹性变形,从而对转子产生预压力,便于驱动。利用有限元软件对定子进行模态分析,选择第三阶模态作为工作模态,得到定子最大振幅与激励频率、电压、壁厚、边长及圆角半径的关系,并研究了频率、电压及预压力对转子输出特性的影响。制作了实体样机并测试了其输出特性,测试表明,当电压为100 V、激励频率为31.5 kHz时,其空载转速为215 r/min,堵转力矩达到1.58 mN·m。     

旋转型行波超声电机定子的结构优化

为了提高旋转型行波超声电机定子的驱动能力,延长电机的使用寿命,设计了一种带有辐射板的定子,根据辐射板与基体的连接方式共分为a~e 5种结构。基于ANSYS软件建立了定子结构的有限元仿真模型,对其进行了模态分析和谐响应分析。在对比5种结构性能的基础上,以电机的输出性能最佳为目标函数,对定子结构的辐射板槽宽w、外径d及厚度t 3个参数进行了优化,得到定子的最佳结构为a,即辐射板与基体连接长度为1mm,尺寸分别为:w=1.8mm,d=72mm,t=0.5mm。该优化结果可为旋转型行波超声电机定子的加工制作提供参考尺寸。     

环形直线行波超声电机定子的模态分析

针对一类环形封闭式的行波型直线超声电机定子的振动模态进行了有限元与实验研究。该类电机的定子由两个半圆环和两段直梁构成。分析了有限元的单元尺度对固有频率及频率差的影响以及压电陶瓷片的粘贴位置对固有频率及弯曲振型的影响。对自行研制的超声电机进行了实验研究。实验结果表明，固有频率差的数值计算值与相应的共振频率之差吻合。     

左右分布式高灵敏硅微谐振加速度计结构设计

提出了一种基于微杠杆原理的左右分布式低交叉耦合、高灵敏度的硅微谐振加速度计结构.该结构采用了一级微杠杆放大机构,左右双音叉谐振器和单质量块布局,实现了力放大和差动频率输出,具有结构简单、易于加工的特点,且两音叉谐振器间相互干扰小.首先,优化了设计参数,并进行了模态分析与谐响应分析.结果表明,左右谐振工作谐振频率分别为149.49 kHz和150.8 kHz,在该工作频率下X方向的最大位移远大于y和Z方向(两个数量级以上),表明工作模态具有优良的抗干扰能力.其次,在1 000g加速度载荷作用下进行了极限过载仿真.仿真结果表明,其最大应力为612.69 MPa,表明具有一定的抗冲击能力.最后,在±50g的设计量程内对结构的灵敏度进行了仿真分析.仿真结果表明,其灵敏度为160.51 Hz/g,验证了该设计的正确性.