一种直线压电电机驱动足的结构优化设计

直线压电电机在精密仪器、生物医学和半导体封装等行业具有广阔的应用前景,其定子结构特性直接影响了电机运行的稳定性和输出性能。以一种直线压电电机定子驱动足的位移输出特性为优化目标,研究该类电机驱动足结构优化设计方法,提高该类电机的综合输出性能。通过分析驱动足的微观几何位移特性,理论研究了驱动足结构参数对输出端宏观运动特性的影响。研究了不同结构下驱动足的输出特性,确定驱动足的结构参数及最优值。最后对优化后的驱动足位移输出性能和力学性能进行仿真分析。加工优化样机,并测试电机的机械输出性能。实验结果表明,电机的输出力为0.64 N,比优化前增大了52.4％。     

一种采用离合器耦合驱动的压电电机的设计

给出了压电电机的定义并按驱动方式对压电电机进行了分类。介绍了离合器耦合驱动机理，指出离合器耦合驱动方式与传统的摩擦驱动方式相比较，优点在于消除了摩擦损耗和易于进行精确的位置控制等。设计、制作了一台离合器耦合驱动的旋转电机，验证了离合器耦合驱动概念。对电机的性能测试显示，电机工作稳定，步进精确且转角可精确控制。     

基于结构一体化的压电尺蠖直线电机设计

为使装配与调节过程易于实现,基于结构一体化思想设计了压电尺蠖直线电机。首先,采用三角放大结构对箝位机构进行了设计,并采用柔性薄板和柔性折叠梁对驱动机构进行了设计,所设计电机的箝位机构与驱动机构被集成为一体,可降低对机体加工与装配的精度要求;其次,采用有限元法对电机的位移放大倍数、应力与模态进行了分析;最后对电机的静、动态特性分别进行了测试。结果表明,电机位移具有良好的线性,最大单步位移为8.24μm,电机的分辨率为10 nm,最大运动速度为0.17 mm/s。     

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。     

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。     

多足并联型压电电机的柔性定子设计

并联压电电机采用多个压电致动器提高电机输出功率,但由于驱动器间相互干扰,导致输出效率下降。该文提出了一种由簧片和质量块组成的柔性驱动足定子结构,可降低并联直线电机中致动器间的相互干扰。建立驱动足的接触振动模型,并分析各参数对输出性能的影响。设计并制作电机样机,实验结果表明,电机的输出力随着预紧力增大而增大,激励电压峰-峰值为30 V时电机的最大输出力可达1.8 N。激励电压越大,电机的最大输出力越大。通过六足和四足电机的负载特性测试对比,证明了每个驱动足都可有效作用于滑轨上,驱动足间的相互干扰降低,输出效率提高,且电机的输出力可随着驱动足数量的增大而线性增大。     

基于复合放大机构的压电直线电机

为利用驱动足椭圆轨迹的改变实现对压电直线电机输出性能的控制,提出并设计了一种基于复合放大机构的压电直线电机.电机驱动足由三角机构和杠杆机构构成,电机工作时在三角机构顶端能形成椭圆轨迹,杠杆机构能调节椭圆轨迹的大小.在电机结构设计过程中利用有限元软件进行关键参数的选择,制造出了样机并进行性能测试.结果表明,电机在低电压、宽频带内能稳定运行.通过改变放大系数,研究了椭圆轨迹对电机输出性能的影响,结果表明,在驱动信号不变时,通过改变放大系数能实现驱动足顶端椭圆轨迹的调节,从而改变电机的输出性能.     

压电尺蠖直线电机的设计

为实现大行程、高分辨率精密驱动,该文提出了一种压电尺蠖直线电机的设计方法。首先,基于尺蠖运动原理,对电机进行了结构设计,它包括左、右箝位机构、驱动机构和输出轴,左、右箝位机构结构相同,用来对输出轴交替箝位与释放,驱动机构可以微米级及纳米级地步进输出位移,在左、右箝位机构及驱动机构的共同作用下,输出轴可连续输出大行程直线位移,该电机结构简单紧凑,便于调节,并可断电自锁;其次,采用有限元法对箝位机构及驱动机构进行了仿真分析,初步获得了电机的静、动态特性;最后,基于所搭建的实验系统,对电机的静、动态特性进行了测试。结果表明,在5mm的运动范围内,电机输出位移具有良好的直线性;在50 Hz的驱动电压作用下,电机运动速度为59.1μm/s;电机输出位移具有较高的分辨率,达到21nm。     

圆柱弯曲型超声电机定子的结构优化

为满足圆柱弯曲型超声电机定子的结构设计要求和改善现有的设计方法,该文采用参数化设计语言ADPL自编制的优化设计程序对定子结构进行了优化,并制作出定子直径30 mm、长34 mm的圆柱弯曲型超声电机原型机.优化计算与实测结果表明,压电陶瓷片的中心位置十分接近于定子弯曲振型的波谷中心,定子驱动端与末端振幅比值的计算值与实测值基本吻合.     

新型双驱动足压电电机非线性接触模型及其实验研究

本文提出一种采用一阶纵振和二阶弯振为工作模态的新型双足压电电机。以该驻波压电电机为研究对象,研究了具有两个驱动足的定动子之间的摩擦传动机理。基于能量法,考虑超声振动对摩擦因数的非线性影响和预压力接触变形,构建该双足压电电机的非线性摩擦接触模型和输出特性模型。在电机稳态状态下,分析了接触刚度、预压力等电机参数对其动态法向接触力和切向摩擦力的影响。搭建双足压电电机输出特性实验平台,对其进行实验测试,并与电机输出特性模型的仿真结果相对比,验证理论模型的有效性,为双足压电电机的性能评估与参数优化设计提供指导。     

压电能量收集器的研究现状

压电能量收集器是能量转换的核心器件之一,其性能的好坏直接决定输出能量的大小及能量转换效率的高低。综述了压电能量收集器的组成部分和各个方面:压电材料、器件结构及振动模式的特性、应用状况和存在的问题,分析了各部分的优缺点,并对压电能量收集器的研究方向作了展望。     

压电式空气补气阀技术研究及应用

介绍了一种基于压电双晶片的空气补气阀(ACV)。该压电阀安装于摩托车化油器怠速补气通道,通过现场传感器信号的采集,根据控制策略,利用压电阀的流量特性,实施脉冲宽度调制(PWM)驱动控制,达到国Ⅲ排放要求。该文通过对逆向压电效应、压电方程的理论分析,依据实际的双晶片尺寸,得出空气补气阀的实际位移和力矩,并通过实际的测试,发现在100V、15Hz的PWM控制波形驱动下,该压电补气阀呈现出了良好的稳定性和一致性,满足了电控化油器中对怠速智能补气的需求。     

PZT基压电陶瓷精密控制机理研究

本文论述了压电陶瓷的基本原理及其特性、驱动方法,并设计了压电陶瓷压电特性的开环测量方案.测量过程中应进一步调整光学平台的稳定性.设计了光电接收放大器.还运用共焦腔干涉方案详细分析了压电陶瓷的压电特性.     

LiClO_4·3H_2O晶体的压电性能

本文测量了LiClO_4·3H_2O晶体的压电系数,结果为:d_(33)=5.2,d_(31)=-1.0,d_(15)=0.8×10~(-12)C/N。     

压电陶瓷变压器的试制及其老化行为研究

选用不同掺锰量的0.2PZN-0.8PZT (w(MnO2)为0.2%, 0.5%, 0.8%,分别记作P1,P2,P3)压电陶瓷制作了压电变压器模拟试样,采用空气中高温下对三端电极同时进行加压极化的方法。性能测试表明,P2的压电性能最优,具有最小的机械损耗和介质损耗,适合在全波谐振频率驱动状态下工作。此外,还系统研究了P2试样压电参数的老化行为,研究结果表明:电容量C和压电常数d33的老化行为均服从对数定律。     

压电双晶片动态机电耦合特性分析

基于压电双晶片本构方程，采用机电耦合系数的一种新的“更为合理的定义方法，分析了动态情况下悬臂梁式双晶片执行器或换能器的机电耦合特性，仿真了分析了机电耦合特性与器件材料，几何尺寸以及信号频率之间的关系，结果表明，机电耦合系数随双晶片几何尺寸及信号频率起伏变化，起伏幅度随信号频率的增大而减小，随双晶片长度厚度比的增大而减小。     

Construction of Flexible Piezoceramic Array with Ultrahigh Piezoelectricity via a Hierarchical Design Strategy

The µW-level power density of flexible piezoelectric energy harvesters (FPEHs) restricts their potential in applications related to high-power multifunctional wearable devices. To overcome this challenge, a hierarchical design strategy is proposed by forming porous piezoceramics with an optimum microstructure into an ordered macroscopic array structure to enable the construction of high performance FPEHs. The porous piezoceramic elements allows optimization of the sensing and harvesting Figure of merit, and the array structure causes a high level of effective strain under a mechanical load. The introduction of a network of polymer channels between the piezoceramic array also provides increased device flexibility, thereby allowing the device to attach and conform to the curved contours of the human body. The unique hierarchical piezoceramic array architecture exhibits superior flexibility, a high open circuit voltage (618 V), high short circuit current (188 µA), and ultrahigh power density (19.1 mW cm⁻²). This energy density value surpasses previously reported high-performance FPEHs. The ultrahigh power flexible harvesting can charge a 0.1 F supercapacitor at 2.5 Hz to power high-power electronic devices. Finally, the FPEH is employed in two novel applications related to fracture healing monitoring and self-powered wireless position tracking in extreme environments.     

一种新型固态摩擦驱动器

设计和装配了一种新型固态摩擦驱动器（具有对称双面齿和压电陶瓷结构的行波型超声波马达）的实验样机。该样机提供一种新颖的对称式双面设计结构，实现将材料点的椭圆形运动轨迹耦合到两个独立的接触表面，本质上，增大了马达输出力矩的能力。新型马达具有小型量轻、响应速度快、无电磁干扰、力矩波动小、高的力矩密度和输出端不需要齿轮降速机构而直接实现驱动等特点。阐述了新型马达的工作原理，用有限元法（ＦＥＭ）分析了马达振动体部分的各阶振动模态和相应的固有频率，分析中计入了压电陶瓷的压电效应对模态和频率的影响。采用ｖｏｎ－ｍｉｓｅｓ法获得了振动体２Ｄ和３Ｄ动态变形分布和应力分布，数字计算优化了马达的结构形式。     

压电振子复参数等效电路模型研究

为得到压电振子精确的等效电路,将等效电路参数设为复数,即每一电路元件参数包含实部和虚部两部分,其中实部部分意义与传统参数意义相同,而虚部部分表示相应的机械、介电及压电损耗。为得到等效电路参数,给出了等效电路参数与压电材料参数之间相互关系。通过仿真和实验两种方法对复数模型与传统模型进行了性能比较,验证了复数等效电路模型的有效性和精确性。     

压电马达用压电陶瓷的研究

采用传统的电子陶瓷工艺制备了高性能四元系压电陶瓷 (PZN- PMS- PZT- r Mn O2 )。考察了不同剂量的锰掺杂对压电陶瓷的介电性能和压电性能的影响 ,即室温介电常数 ε、介电损耗 tanδ、居里温度 Tc、机电耦合系数 kp、压电常数 d33和机械品质因数 Qm。随着 Mn含量的增加 ,ε和 tanδ均减小 ;由于内偏置场的影响 ,居里温度 Tc随锰含量的增加而增加。kp 和 d33随 Mn含量的增加而减小 ;而 Qm 表现出较复杂的变化规律 ,随 Mn含量的增加 Qm先增加 ,当 r=0 .2 %时 ,达到最大值 10 0 0 ,当 r>0 .2 %时 ,Qm 下降。实验结果表明 :当 r=0 .2 %的锰掺杂压电陶瓷比较适合制作压电马达 ,其压电性能为 ε=12 0 0、tanδ=0 .0 0 4、Tc=349°C、kp=0 .6 0、d33=380 p C/ N和 Qm=10 0 0