行波型杆式超声电机的动力学分析与性能仿真

建立了行波型杆式超声电机定子的压电有限元模型,并对定子进行了动力学分析.结合行波型超声电机的三维接触/摩擦驱动模型和转子的动力学方程推导了整个电机的机电耦合模型.基于此模型,对直径为20 mm的行波型杆式超声电机进行了动态特性仿真和机械性能预测,仿真结果得到了样机实验结果的验证.     

行波型杆式超声电机定子的参数化有限元法优化设计

摘要：利用参数化有限元优化方法,对行波型杆式超声电机定子进行优化设计。首先,在确定电机定子初始结构的基础上,建立其参数化有限元模型。其次,对定子有限元模型进行模态分析,求解工作模态频率对各结构参数的灵敏度,选取灵敏度高的结构参数为设计变量,并以反映电机输出性能的重要参数作为目标函数。同时,设计了定子结构的优化方案,采用了零阶优化方法,对其结构进行优化设计。最后,根据优化结果,制作了定子样机。试验表明：定子工作模态和端面质点的振幅都满足了预期的设计要求,试验结果与优化设计结果相符。研究表明,利用该优化设计方法能有效地缩短超声电机设计周期。     

聚苯酯基复合材料在超声电机中的磨损性能

作为行波超声电机的接触层摩擦材料,聚苯酯基复合材料的磨损性能对电机的驱动特性和寿命均会产生重要的影响。将聚苯酯基复合材料粘贴在40型圆盘形行波超声电机定子齿面,在不同的电机驱动方式和摩擦组合下测试接触层磨损性能,并使用扫描电镜观察磨损表面形貌。结果表明,超声驱动下,电机接触层以疲劳磨损为主要磨损机制。并且当电机采用聚苯酯基复合材料和铜转子的摩擦组合时,其性能磨损较好。接触界面应力模拟分析表明,行波超声电机接触界面在短时间内即可完成108周次以上的疲劳载荷作用,因此接触层主要磨损机制为超声疲劳。     

旋转型行波超声电机理论模型的仿真研究

建立了旋转型行波超声电机定、转子间的摩擦驱动模型，不仅考虑了接触界面上的纵向分布力，而且分析接触力沿周向和径向上的分量，在此基础上结合定子和转子的动力学模型得到了整个电机的机电耦合模型。文章分析了预压力影响电机驱动频率的本质原因，说明该频率不能直接通过分析自由定子得到，最后通过数值计算分析了接触界面力对电机工作频率的影响，取得了与实验一致的结果。     

超声电机定子热机电耦合特性

应用于极端环境的超声电机会受到温度场、应力场和电场的共同作用,定子在热机电耦合激励下的响应与电机工作特性密切相关.以行波型旋转超声电机为对象建立定子的能量泛函,采用假设模态的方法得到了热机电耦合动力学模型.运用有限元方法对热机电耦合作用下的定子进行仿真,分析了与理论计算结果的差异.建立了定子热扫频试验平台和热变形试验平台,测定温度对定子稳态形变、模态频率和振幅的影响,对理论模型的分析方法进行了评价.理论分析和试验结果揭示了超声电机定子在热机电耦合作用下的振动行为的变化规律,为下一步极端环境超声电机的设计和优化提供了依据.     

旋转型行波超声电机定子的子结构模型研究

按照旋转型行波超声电机定子的结构特点将其划分为几个较简单的子结构,分别对其进行了动态特性分析,最后在子结构模态综合法的基础上建立了整个定子的分析模型。该模型可以很方便地计算电机定子的各阶模态,并且由于运用Guyan静力法将定子齿单元的刚度和质量凝聚到基体之上,不仅恰当地描述了齿对定子动态特性的影响,而且达到了缩减计算量的目的。通过算例和实验说明此理论模型是可行的,可用于电机系统性能预测和参数优化设计。     

强离心场下旋转型行波超声电机定子动力学分析与试验

研究了强离心场下旋转型行波超声电机定子的动力学特性,分析了离心刚化效应对定子的影响。通过计算离心力做的功(或称为离心势能)推导出因离心刚化效应引起的附加刚度矩阵,进而得到强离心场下定子的特性矩阵(包括质量矩阵和刚度矩阵),求解得到定子的模态参数;并根据压电陶瓷的孤极区反馈的电压信号,确定了高旋环境下定子的固有频率;总结了强离心场下超声电机定子动力学特性变化规律,给出了高旋环境下超声电机的驱动控制应对策略,为高旋环境下超声电机的应用奠定基础。     

纵振换能器式圆筒型超声电机振动特性的研究

以纵振夹心换能器式圆筒型超声电机为研究对象,对换能器的振动状态进行了分析,给出了换能器弯曲振动的产生原因;研究了耦生弯振对电机机电耦合系数以及圆筒中弯振行波质量所带来的影响,耦生弯振的存在使得定子模态特征频率偏离换能器谐振频率,并使得定子圆筒中的弯振行波产生了畸变。最后,提出一种采用换能器弯振激励圆筒径向弯振的模态组合方式。     

面内模态方形压电超声电机的工作机理与实验

针对利用面内模态的方形压电超声电机工作机理进行研究,利用有限元方法得出了方形超声电机定子的振动模态振型,以此为基础,分析了电机定子内圈小齿在平面内模态(3,1)和(R,1)下的位移特点,给出了一个周期内电机定子内圈6个小齿切向运动与法向运动的分析结果,得出了在定子平面内模态(3,1)和(R,1)下,定子内圈6个小齿能够推动转子转动的结论.制作了电机样机并完成了电机运转试验,得出了相应的电机特性曲线,对上述分析进行了验证.根据上述分析结果,可以进一步研制一种方形驻波超声电机.     

二自由度行波型超声波电机定子的数学模型与实验研究

二自由度行波型超声波电机是一种新型多自由度超声波电机。本文从二自由度行波型超声波电机的驱动机理和基本结构出发,就电机的结构实现、驱动球转子的最佳定子结构进行了分析,利用所建立的有限元模型进行定子振动的模态分析和共振频率计算,提出了外缘大倾角内缘线接触的行波定子。然后建立定子的接触模型,对其机械性能进行分析。测试结果表明,修正的数学模型更加符合电机的实际运行特性。所研制样机的球转子直径为45mm,定子直径为30mm,实现的堵转力矩为120mNm,空转转速12r/min。本文工作为多自由度行波型超声波电机的优化设计、性能提高奠定了基础。     

Rotor Design and Finite Element Analysis of Traveling Wave Rotaty Ultrasonic Motor

The dynamic transfer mechanism of the traveling wave rotary ultrasonic motor rotor-stator' s contact surface is studied in the paper and the key parts stator and cone flexible rotor of ultrasonic motor are designed.The three-dimensional contact model and finite element model considering the radial sliding between the rotor and the stator are established. The relation between the stator surface particle that amplitude frequency characteristics,resonance speed,radial displacement of ultrasonic motor and the tooth height are analyzed. Mass point radial relative displacement of contact surface between the cone flexible rotor,flexible rotor and the stator are contrasted. The cone flexible rotor is better placed on the surface of the stator tooth through its elastic deformation is interpreted. The cone flexible rotor reduces the radial slip between the stator and the output efficiency of ultrasonic motor is improved. The displacement trajectory of the stator surface is synthesized in a row wave cycle. The method of the stator mass point elliptical motion drives the rotor rotation is verified.     

新型方尖塔形定子二自由度超声电机的结构设计、驱动机理与性能研究

提出了一种新型二自由度超声电机结构及工作原理。该电机具有一个方尖塔形定子和一个具有凹球面的基座,定子由预压力弹簧压在基座的凹球面上。利用定子局部弯曲振动作为工作模态,使得该型电机易于小型化。有限元仿真观察到了定子驱动端的椭圆运动,作用于球面基座可驱动定子运动。原理样机性能为: x 方向最大速度145mm/s, y 方向最大速度180mm/s, x 方向最大推力4.3N,y方向最大推力5.0N。     

Traveling-wave piezoelectric linear motor Part I: the stator design.

A new type of piezoelectric linear motor incorporating a traveling wave has been developed. The linear motor is comprised of a stator and a carriage. The stator design, which consists of a meander-line structure and gear teeth mounted on the meander-line structure, is the focus of this article. The meander-line structure is constructed with bimorph actuators arranged in a line. These actuators are driven by two phased sets of alternating current (ac) in order to generate a traveling wave. The traveling wave is transferred to the gear teeth, by which the carriage is driven. Modeling of the stator is derived by use of a strain energy method. The performance of various materials is evaluated by analytical and experimental methods. The analytical and the experimental results are quite approximate. Modal analysis is investigated using ANSYS. Appropriate modes associated with ultrasonic levels of resonant frequency are selected to obtain desired motion and to enhance the output performance. Surface speed for various applied input voltage are studied and indicate a nearly linear relationship. The stator in combination with the carriage makes up the linear motor.     

Traveling-wave piezoelectric linear motor. I. The stator design

A new type of piezoelectric linear motor incorporating a traveling wave has been developed. The linear motor is comprised of a stator and a carriage. The stator design, which consists of a meander-line structure and gear teeth mounted on the meander-line structure, is the focus of this article. The meander-line structure is constructed with bimorph actuators arranged in a line. These actuators are driven by two phased sets of alternating current (ac) in order to generate a traveling wave. The traveling wave is transferred to the gear teeth, by which the carriage is driven. Modeling of the stator is derived by use of a strain energy method. The performance of various materials is evaluated by analytical and experimental methods. The analytical and the experimental results are quite approximate. Modal analysis is investigated using ANSYS. Appropriate modes associated with ultrasonic levels of resonant frequency are selected to obtain desired motion and to enhance the output performance. Surface speed for various applied input voltage are studied and indicate a nearly linear relationship. The stator in combination with the carriage makes up the linear motor