一种新型双驱动足直线超声电机的研究

提出一种新型的双驱动足直线超声电机.该电机定子为圆柱结构,2个正交的4阶同形弯曲模态为工作模态.在相差90°的两相同频率电信号激励下,定子产生回转运动,其上两个作为驱动足的圆盘交替推动直线导轨,实现双向直线运动.原理样机的最大推力为5.5 N,速度为103 mm/s,效率为33%.     

弯振模态板状直线超声电机的研究

通过改进直线超声电机的驱动足、夹持等结构形式,提高了电机的输出特性。设计了一款新型直线电机,电机由对称分布的板状振子和具有柔性的驱动足组成。通过ANSYS软件建立了电机有限元模型并分析电机工作模态,根据模态一致性原则设计电机尺寸;利用板状结构的弯振模态,降低了驱动频率,提高了输出效率;电机驱动足具有一定的柔性,在夹持组件作用下实现预压力的施加。最后对样机开展实验研究,结果表明,电机定子模态测试数据与仿真分析结论吻合,工作频率为27.5kHz,附近无干扰模态,相位差为90°,工作时发热较少;最大输出力为44N;双向驱动速度一致性良好,其中最大输出速度为267mm/s。     

双变幅杆V形直线超声电机研究

提出一种改进的V形直线超声电机.该电机利用两垂直兰杰文振子的纵、弯振动,在其驱动足处形成椭圆运动,推动动子运动.采用超声变幅杆结构的兰杰文振子,放大了定子驱动足处的振幅.有限元法用来设计定子结构尺寸,调节对称模态与反对称模态的频率一致性.实验表明,在预压力50 N下,该电机最大空载速度为235 mm/s,最大输出力21.4 N,定子质量为87.3 g,推重比达25.     

双H叉合式定子谐振驱动的压电平面电机研究

为满足应用领域对高精密平面运动驱动的需要,提出了双H叉合式谐振驱动的平面电机及其动力学结构,择取该定子的面外对称弯振、左右杆面内弯振、上下杆面内弯振模态为电机的工作模态,通过面外弯振模态分别与两相面内弯振模态进行谐振耦合,分别在定子上下杆和左右杆的驱动足上复合出沿xz、yz面行进的两椭圆轨迹以驱动动子的x、y向运动。建立了定子的机电耦合分析有限元模型,求取了定子工作振动模态,验证其预设工作模态的存在性。通过对定子进行频率一致性计算,得到定子的主要尺寸为30 mm×8.7 mm×7.4 mm;通过定子谐响应分析,解算出其干扰模态特性,实现了干扰模态分离。通过定子瞬态振动响应计算,模拟出驱动足的两相椭圆轨迹,求得250 V驱动电压激励条件下的驱动足x(或y)和z向振幅分别为1.5μm和1.3μm,验证了电机工作原理并探析其调压、调频和调相振动特性。给出了定子夹持固定方式并完成了电机装配结构设计,该电机具有良好的动力学特性和应用前景。     

柱面双足驱动杆式振子直线超声电机研究

该文设计了一种双驱动足直线超声电机,其振子具有对称圆锥变幅杆的双驱动足结构,工作模态为相互正交的2个三阶弯曲振动。建立了振子有限元模型,分析了振子主要结构参数尺寸对2个柱面驱动足模态的影响规律。并基于此以降低2个驱动足工作模态频率差,提高工作模态与干扰模态频率差为多重目标,对振子尺寸进行了优化设计。实验测试结果表明,优化后2个驱动足工作模态频率差降低了67.2%,所设计的双足直线超声电机最高速度大于320 mm/s,最大负载大于11 N。     

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。     

一种弯曲模态直线超声电机的研究

提出了一种改进的弯曲模态直线超声电机。该电机利用兰杰文振子两相正交的3阶弯曲振动,在其驱动足处形成椭圆运动,推动动子运动。采用超声变幅放大了定子驱动足处的振幅。利用有限元方法用来设计定子的结构尺寸。实验表明,在电压峰-峰值200V下,该电机最大空载速度为113mm/s,最大输出力为10N。     

盆架形压电振子同型模态驱动平面电机研究

为满足高精度平面运动的需求,提出了一种盆架形的平面超声电机,选取该定子的反对称纵向伸缩振动、左右方杆面内一阶弯振、前后方杆面内一阶弯振模态为工作模态,纵振模态与弯振模态复合形成xOz、yOz面的椭圆运动。该文阐述了电机的驱动原理,基于ANSYS分析软件建立了定子有限元模型,优化了结构尺寸,实现了干扰模态分离,进行了谐响应和瞬态分析,进行了运动调节特性分析。基于频率一致性优化得到盆架形定子的整体尺寸为53.136 mm×4.550 mm×4.560 mm,定子驱动足上x、y、z向振幅分别为2.0 μm、1.49 μm、3.36 μm,模拟出了椭圆运动轨迹,验证了该平面电机具有良好的运动特性,并给出了定子固定方式及设计了电机装配结构。     

单相短柱型直线超声电机的设计

提出了一种单相驱动的立式短柱型压电直线超声电机,论述了该电机的动作原理和设计过程。该电机利用纵向振动和横向振动的耦合模态工作。为获得同一驱动频率的一致的双向运动特性,该电机采用对称结构,利用压电陶瓷在短路和开路时弹性模量存在差异的特性,用单相驱动信号实现了纵向和弯曲耦合模态的有效激发。以增大电机弯曲振动模态前后振幅比为目标,利用三自由度集中质量的简化模型,优化了定子的结构。制作了电机的原理样机,对其进行了输出性能测试。实验结果表明,电机的输出性能良好。电机定子长22 mm,自重3.3 g,0.3 N输出推力下最大速度达140 mm/s,5 N预压力下最大输出推力近1 N。     

单相短柱型直线超声电机的设计

提出了一种单相驱动的立式短柱型压电直线超声电机,论述了该电机的动作原理和设计过程。该电机利用纵向振动和横向振动的耦合模态工作。为获得同一驱动频率的一致的双向运动特性,该电机采用对称结构,利用压电陶瓷在短路和开路时弹性模量存在差异的特性,用单相驱动信号实现了纵向和弯曲耦合模态的有效激发。以增大电机弯曲振动模态前后振幅比为目标,利用三自由度集中质量的简化模型,优化了定子的结构。制作了电机的原理样机,对其进行了输出性能测试。实验结果表明,电机的输出性能良好。电机定子长22mm,自重3.3g,0.3N输出推力下最大速度达140mm/s,5N预压力下最大输出推力近1N。     

TWUSM振动模态鲁棒滑模观测器研究

考虑到行波型旋转超声电机（TWUSM）控制精度与定子两相振动模态有关,但其不易测量。因此,该文提出了一种具有参数鲁棒性的滑模观测器以实现优化定子振动模态。首先,分析定子两相振动模态及合成行波对TWUSM高精度控制的影响;其次,利用电机可测的电流、电压信号建立振动模态滑模观测器,分析TWUSM参数时变特征,并证明观测器的稳定性与鲁棒性;最后,通过仿真与实验对所提出的振动模态滑模观测器进行验证。结果表明,滑模观测器能准确估计两相振动模态,且具有参数鲁棒性。此外,基于观测结果改善驱动电压,实现定子振动模态优化,从而降低输出转矩脉动,提高电机控制精度。     

双足压电振子驱动模式的比较研究

为比较驻波直线超声电机双驱动足同时驱动与交替驱动的两种工作模式,该文提出了一种多足驱动的超声电机振子。该振子双侧共有4个驱动足,其中一侧的2个驱动足实施同时驱动模式,另一侧的2个驱动足实施交替驱动模式,便于比较及分析两种模式之间的性能差异。通过有限元仿真确定了压电振子的结构尺寸、弯曲工作模态及固有频率,制作振子并开展了振子的振动特性和输出性能及其比较的实验研究。实验结果表明,在激励电压峰峰值100 V、谐振频率26.30 kHz的条件下,交替驱动时空载速度和最大输出力比同时驱动提高了14%和40%。在交替驱动模式下,避免了因多个驱动足互相干扰动子而导致压电振子输出功率降低的问题,输出速度和输出力得以提高,与同时驱动模式相比,交替驱动模式有利于改善输出性能。     

一种新型旋转超声电机驱动控制试验系统

介绍了一种新型旋转超声电机即压电定子和压电转子振型嵌合式旋转超声电机驱动控制试验系统。系统以LabVIEW作为开发平台,通过DAQ板卡和外围电路的设计进行输入输出采集与控制。该系统能输出幅值、频率、相位可调节信号,通过光电编码器检测超声电机转子位置反馈给系统用以保证电机下次启动时保持定转子振型嵌合位置关系。试验结果表明,该试验系统完全满足此新型旋转型超声电机驱动控制试验要求。     

一种圆筒型转子的中空型超声电机的研制

针对某些飞行器舵机控制系统需要旋转型超声电机具有中空结构、转子与负载结构融合以及具备一定的保持力矩等特定工程技术需求,该文提出了一种圆筒型转子与舵翼结构一体设计(外圈输出)的中空型超声电机,开展了该型电机的结构及预压力施加方案的设计和试验研究。建立了电机定子的有限元模型,分析了不同结构尺寸对定子模态的影响,进行了结构尺寸的灵敏度分析,优化了定子的结构,计算出其共振频率、振动幅值。最后试制出了原理样机。实验表明,在激励电压为450 V,激励频率为40.2 kHz时,样机的空载转速可达208 r/min,堵转力矩可达0.35 N·m。     

驻波型自校正超声电机的研究

介绍了自校正超声电机的转动机理,用有限元法分析了该电机定子的振动模态,得到了适合电机运转的工作模态—— Ｂ１２模态,并且设计和制造了驻波型自校正超声电机。该电机定子直径为４０ ｍ ｍ ,高为 １．５ ｍ ｍ ,电机工作频率为 ３０ ｋ Ｈｚ～３３ ｋ Ｈｚ,能够实现正、反转并具有自校正的能力,设计计算与所做的实验结果基本吻合。     

圆柱-球体多自由度超声电机定子的优化设计

为了实现圆柱-球体多自由度超声电机的运动和提高电机的机电转换效率。电机的定子要具有合适的工作模态。该文根据该种电机对其定子工作模态的要求，以定子的结构参数为设计变量，建立了定子的优化设计数学模型，采用约束变尺度优化法编制了计算程序，并对实例进行了相应的计算。通过与原型样机的实验结果进行比较，证明该文所提出的优化设计法是有效的。     

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。     

基于激光散斑技术的超声马达定子的实验研究

给出了利用激光散斑测振技术实现超声马达定子谐振频率、振型的实验结果和分析。在简要介绍激光电子散斑测振的原理及装置的基础上,研究了超马达定子在不同的谐振频率下的振型。研究结果表明,利用激光散斑技术实现的定子实验研究,对研究与开发高性能超声马达具有重要的指导意义。     

一种控制力矩陀螺用双频驱动的超声电机

控制力矩陀螺的框架电机要求控制精度高,机械响应快,转速低,质量小,能适应高真空、高温差的工作环境。为满足上述需求,该文为控制力矩陀螺设计了一种异型模态超声电机,用以驱动力矩陀螺框架。并基于有限单元法计算及优化了样机外形尺寸,完成电机速度特性和负载特性的测试及优化。结果表明,该超声电机由超声电机定子、力矩陀螺转轴、基座组成。定子通过铰链固定于基座,弹簧机构对其施加预压力。超声电机质量25 g,最大输出扭矩0.04 N·m,满足控制力矩陀螺的使用要求。