单相驻波驱动的旋转型超声电机结构设计与试验研究

单相驱动的超声电机由于其驱动电路简单、设计灵活、结构紧凑等优点,受到越来越多的关注。但单相驱动的超声电机主要以直线型电机为主,且工作模态一般为退化模态,存在能量利用率低、频率易漂移等缺点。此外,现有旋转型单相驱动的超声电机存在输出性能差、不易装夹等问题,严重制约了其应用。为解决上述问题,提出了一种新型单相驻波驱动的旋转型超声电机,通过单一工作模态实现对转子的摩擦驱动。该超声电机的定子主要由压电复合梁和带驱动齿的圆环构成,在两组压电陶瓷片的交替激励下分别产生两相工作模态,并通过两相工作模态相互切换实现电机的双向旋转运动。首先,采用有限元分析方法计算得到了超声电机定子的几何尺寸和两相工作模态(包括共振频率和振型)。其次,通过测振实验对定子原理样机进行了振动特性测试,得到了定子的幅频特性、振型和驱动齿的运动轨迹,并与仿真计算结果进行了比较,验证了仿真分析的正确性。最后,装配了旋转型超声电机原理样机,并开展了性能测试实验研究。结果表明：在300 V激励电压、1 N预压力的条件下,超声电机原理样机在两个工作模态下的最大转速分别为123.9 r/min (顺时针旋转)和450.9 r/min (逆...     

用于微型飞行器的高转速超声电机

为了探索和实现超声电机在微型飞行器领域的应用,提出了一种微型高转速超声电机。该电机利用定子的面外弯曲振动模态,依靠接触摩擦驱动转子旋转,进而带动与之固连的旋翼高速运转。定子主体由基板和碳纤维管组合而成,碳纤维管竖直安置于基板中心,具有放大定子基板振幅的作用,碳纤维管的两端锥面作为电机的驱动面来驱使转子旋转,激励原件为四分区的环状压电陶瓷。利用有限元软件Ansys15.0对电机定子有限元模型进行了分析,并对电机尺寸进行了优化,确定了定子的工作模式并模拟了定子驱动端面质点的三维运动轨迹。实验样机的机械特性实验结果表明,在驱动频率为30.9kHz、电压为350V_(p-p)激励信号下,电机最大转速可达到5 520r/min,产生的最大升力达到14mN。结果表明,该超声电机具有高转速、高稳定性的特点,为进一步应用于微型飞行器奠定了基础。     

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—球体三自由度超声电机运动机理研究

研制了一种新型的圆柱—球体三自由度超声电机 ,分析了该电机结构 ,推导了电机输出三自由度旋转运动的机理。该电机采用了三组压电陶瓷元件 ,可在定子上单独激出两个在空间上相互垂直的弯曲振动模态和一个纵向振动模态 ,当这些振动模态中任意两个组合时 ,在定子顶部的圆形平面上任一点产生的椭圆运动可驱动转子绕单轴旋转 ,两两组合即可形成对转子三个自由度转动的驱动。样机的实验结果证明了理论分析的正确。本文内容为该电机的进一步研究提供了理论依据。     

大力矩应力型纵扭复合超声电机

研究了一种双转子应力型纵扭复合型超声电机,对该电机进行了结构设计,提出了纵振压电陶瓷片全部放置在定子端面上的结构,同时深入分析了电机的工作机理。利用有限元分析软件ANSYS详细分析了影响定子1阶扭振模态和电机整体2阶纵振模态的结构参数,并提出了针对应力型纵扭复合超声电机的模态频率一致性的设计方法。对研制出的Φ20 mm双转子应力型纵扭复合超声电机样机进行了振动特性以及使用不同预压力弹簧时的负载特性实验研究,结果表明:电机的纵振特性与施加在转子上的预压力有关;使用非线性预压力弹簧时,电机输出负载特性较好,其中Φ20 mm样机的堵转力矩达到了1.28 N.m。     

一种用于鸭翼控制的摇头型双圆环压电马达研究

针对制导弹药平台对舵机的紧凑、直驱等要求,提出了一种采用夹心式换能器诱发双圆环弯曲振动的复合型压电定子结构,由此可构成结构精巧的摇头型双圆环旋转压电马达,用以驱动鸭式舵翼产生特定的偏转运动。该马达中的复合定子主体为一个具有四片压电陶瓷片的夹心式换能器,分别在换能器两输出端设计了利于放大振幅的环形圆盘;夹心式换能器的摇头运动激励出两端环形圆盘的五阶弯曲模态,通过圆环将输出振幅进一步放大;两个圆盘形转子在一定的预压力作用下与复合型压电定子两端的圆环表面保持紧密接触,通过摩擦将圆环表面的椭圆轨迹转换为转子的旋转运动。设计了可用于某制导系统鸭舵偏转操纵的直驱马达结构,建立了基于夹心式换能器的双圆环形定子结构动力学模型,通过有限元软件对定子的模态进行了仿真分析,设计并加工出了样机。搭建了测试平台对样机的输出特性进行了实验,测试结果表明：该双圆环（双）输出轴马达可实现双输出轴同时旋转,在300 V峰峰值的驱动电压下,最大转速可达190 r/min,最大输出扭矩可达0.07 N·m。     

板式四足直线超声电机的分析与实验

为了提高超声电机的驱动能力和工作效率,设计了一种矩形板式的贴片四足直线超声电机。电机定子由磷青铜和8片压电陶瓷片组成,4个驱动足分布在矩形板4个顶角。电机利用矩形板的面内一阶纵振和面外反对称弯振相互叠加,在驱动足处形成椭圆运动轨迹,并通过有限元软件对电机进行模态和谐响应仿真分析,分析和验证电机工作原理的可行性。对电机进行实验,激励峰值电压为200 V,激励频率为25 810 Hz,当预压力为10 N时,电机的最大空载速度为130 mm/s,预压力为12 N时,电机的最大负载为3.5 N。结果表明,该电机结构简单,具有较好的输出性能和广阔的应用场景。     

单模态驱动的非对称定子结构塔形超声电机

现有单模态驱动超声电机或者只能单向运动,或者存在严重磨损。针对此问题,提出了一种单模态驱动双向运动的塔形超声电机。塔形电机由非对称结构塔形定子和动子构成。塔形定子采用非对称的兰杰文振子结构,设计有低阶和高阶非对称工作模态以及相应的压电陶瓷片极化布置方案,通过模态切换就可以实现电机的单模态驱动和正反向运动。分析了电机的工作原理,制作了原理样机,并对样机进行了模态实验和机械特性实验。结果表明,当A相单相激励,电机工作在高阶工作模态,动子正向运行,最大速度为112mm/s,最大输出力为2N;当B相单相激励,电机工作在低阶工作模态,动子反向运行,最大速度为94mm/s,最大输出力为3N。     

一种面内行波旋转超声电机的模态试验方法

为检验一种面内行波旋转超声电机定子结构动力学设计的优化设计方法,探讨了一类利用圆环面内弯振模态超声电机定子的模态试验方法.首先,分析了该面内行波旋转超声电机的工作原理;然后,基于有限元分析软件建立了电机的有限元模型,分析了其工作模态的特点;最后,结合PSV-300-B型激光扫描多普勒测振仪的测量原理,提出了通过测量圆环轴向振型识别该类型超声电机工作模态的测试方法.试验结果表明,该方法能够有效地检测出该面内行波旋转超声电机的工作模态,为利用圆环面内弯振模态的一类超声电机的模态试验和进一步优化设计提供了参考.     

圆筒型非接触式压电作动器的设计与试验研究

 提出了一种基于超声悬浮和驱动的非接触式压电作动器,该作动器中的转子呈完全悬浮状态。转子的悬浮由兰杰文换能器提供,自身旋转与定位由圆筒型定子提供。通过分别对换能器和定子的压电陶瓷片施加电压,使得换能器悬浮端面激发出一阶弯曲振动模态,而定子激发出两相B(0,3)驻波并合成一高声强行波,进而诱发高声强声场来驱动转子。分别建立了非接触式压电作动器中兰杰文换能器和定子的有限元模型,对换能器和定子进行了分析、设计、扫频以及定频试验,确定了结构方案, 最后加工、制造了样机。搭建了整个样机的测试系统,对其悬浮和驱动特性进行了分析,测得转子转速可达4261r/min。结果表明转子在近声场的作用下成功地实现了完全悬浮式的高速旋转。      

卧式板型直线超声电机的微型化

基于L1B4板型直线超声电机,研制了一种外型尺寸为36mm×5mm×4mm的卧式板型微型直线超声电机。论述了电机的工作原理和运行机理,使用解析法和有限元法进行了微型化结构设计,分析了定子的振动模态,并实现了频率简并。通过模拟压电激励的动态频率响应,对比了样机的5片压电陶瓷布置方案和常用的两片压电陶瓷布置方案的共振位移响应曲线,证实了采用5片压电陶瓷布置方案增大了输出端点处产生的振动位移。样机特性测试实验表明,当激励信号电压为150Vpp,频率为62kHz时,电机最大速度为183.7mm/s,输出推力为50mN。预期该电机可以用于电机安置空间比较狭窄且需要一定动力的直线驱动场合。     

热烈祝贺本刊主编、南京航空航天大学赵淳生教授当选为中国科学院院士

赵淳生，机械工程专家，南京航空航天大学教授。湖南衡山人。1961年毕业于南京航空学院飞机系。1984年获法国巴黎高等机械学院工程力学博士学位。长期从事振动工程技术和应用研究。提出了超声电机结构参数优化设计理论和方法；建立了超声电机定子／转子间“粘着-滑动”非线性摩擦界面模型；提出了行波超声电机定子反共振点恒流驱动模式、频率自动跟踪新方法和压电陶瓷元件分区极化新方式；解决了行波超声电机定子近频模态混迭及二相频率分离的难题。研发了杆式、环式和圆板式行波型、自校正驻波型、直线型，纵扭复合型和多自由度型等16种具…     

环形超声电机定子的振动模态与谐响应分析

振动模态分析和谐响应分析是超声电机优化设计的重要步骤。基于本实验室提出的压电定子和压电转子振型嵌合式环形超声电机,利用有限元软件Ansys10.0建立了直径为60 mm的环形超声定子的模型,并对此电机定子进行模态分析以及谐响应分析,得出了定子的固有频率和振型以及理论振幅值,特别阐述了此电机定子最优振动模态的选择。同时利用Agilent 35670A对制作的电机定子进行扫频测试,结果表明:分析结果与实测结果基本接近。研究结论为超声电机的优化设计提供了理论依据。     

光阑用螺纹式超声电机

研制了一种新型螺纹式空心超声电机,用于驱动光阑并控制和调节光束。由于光阑仅需有限角度转动,故采取螺纹方式连接超声电机定子和转子来施加轴向预压力和实现转子周向运动的耦合。电机仅由转子、定子和底座组成;其中转子与光阑定圈固定,实现了与光阑的一体化设计。运用有限元软件对定子进行了模态分析,选定工作频率为38.26kHz。受可加工螺纹螺距尺寸的限制,电机轴向运动使电机预压力变化较大,电机转动角度小,不能驱动光阑完成闭合或开启,故对转子进行了柔性化设计。仿真实验表明,在转动90°范围内,定、转子预压力变化在27%之内。试验研究表明:设计的电机定子振动特性良好,干扰模态距工作模态5kHz以上;阻抗值变化不超过10%。得到的结果验证了预压力变化对电机影响小;电机驱动光阑开启时间为5s,闭合时间为4.4s,开启、闭合直径与电机运行时间呈线性关系。该空心电机满足了光阑调节需求,具有结构简单、零部件少等特点。     

采用双晶片驱动的棒板结合式压电驱动器设计

设计制作了一种采用双晶片压电陶瓷结构的棒板结合式压电驱动器.和瓷片分别粘接在青铜定子的上下两侧.定子上的金属圆柱体被用来放大振动的横向位移,并对金属棒状的转子进行激振,使其旋转.利用有限元分析(FEA)对定子进行了分析,发现在同样的驱动模式下,与传统的单片陶瓷片驱动器相比,该驱动器可以提供更多的横向和纵向的振动位移,大约提高25%左右.这种新结构也可避免不同振动模式之间的模态耦合现象,并产生理想的振动模态,以提高驱动器的运行稳定性.实验表明,驱动器在25 Vo-p低电压下可以提供512r/rain的转速,而单片陶瓷驱动器在该电压下不能工作.这种压电驱动器可以经过优化和调整来满足不同的实际应用,如精确定位仪器,生物工程和光聚焦系统等.     

工作模态控制解耦的塔形直线超声电机

针对现有塔形超声电机无法相互独立控制法向和切向振动等实际应用问题,提出了一种工作模态控制解耦的塔形直线超声电机。塔形电机设计有两个非共面的正交工作模态,分别为用于独立控制法向振动的x-z面内对称振动模态以及用于独立控制切向振动的y-z面内弯振模态。相应设计了压电陶瓷片的极化布置方案,即塔形电机的压电陶瓷片分为A,B两相,其中A相用于激励x-z面内对称振动模态,B相用于激励y-z面内弯振模态。通过对电机A,B两相相互独立控制就可以实现两个非共面正交工作模态的控制解耦。实验表明,在解耦控制条件下,当A相电压固定为400Vp-p,B相电压在0~400Vp-p变化时,电机运行速度与B相电压成正比,最大运行速度为420mm/s,最小运行速度为23mm/s。     

工作模态控制解耦的塔形直线超声电机

针对现有塔形超声电机无法相互独立控制法向和切向振动等实际应用问题,提出了一种工作模态控制解耦的塔形直线超声电机。塔形电机设计有两个非共面的正交工作模态,分别为用于独立控制法向振动的x-z面内对称振动模态以及用于独立控制切向振动的y-z面内弯振模态。相应设计了压电陶瓷片的极化布置方案,即塔形电机的压电陶瓷片分为A,B两相,其中A相用于激励x-z面内对称振动模态,B相用于激励y-z面内弯振模态。通过对电机A,B两相相互独立控制就可以实现两个非共面正交工作模态的控制解耦。实验表明,在解耦控制条件下,当A相电压固定为400Vp-p, B相电压在0~400Vp-p变化时,电机运行速度与B相电压成正比,最大运行速度为420 mm/s,最小运行速度为23mm/s。     

悬浮式球转子压电作动器的设计及实验研究

针对机械转子式陀螺仪对支承和高转速的特定要求，设计出一种兰杰文振子和压电圆盘复合驱动的定子，从而在定子振动输出面获得足够振幅的行波运动，实现对球转子的超声近场非接触支承和高速驱动。对圆盘定子进行了结构动力学设计，使其工作频率与兰杰文振子频率基本一致。样机模态实验表明复合定子频率一致性较好。通过悬浮高度和转速测试发现，转子悬浮稳定，转速与驱动频率有关，在200 V激励电压下的共振频率附近可获得最大转速3 880  r/min。     

轮式直线型超声电机定子的动态设计和分析

利用非统一截面梁在正交方向上的2个同形弯曲振动模态作为工作模态,设计了一种新型直线超声电机.基于有限元理论叙述了该定子的动态设计过程,对定子驱动足位置、压电陶瓷安装位置和定子的不同夹持方式进行了仿真计算,分析了不同阶次弯曲振动模态作为定子工作模态的优缺点以及不同支撑方式对定子振动模态的影响.制造了一台原理性样机,样机定子直径为10 mm,长为55 mm,重为30 g.在驱动电压峰峰值为200 V,驱动频率为49.52 kHz,摩擦副为陶瓷摩擦材料对不锈钢的情况下,电机空载速度为374 mm/s,最大推力为13 N,推重比达到了43: 1.     

新型多通道控制的微小型超声电机

提出了一种新型的多通道舵机控制的微小型超声电机,在明确研究目的和用途的情况下,设计了新型的定子结构,即定子整体呈草帽状,4个驱动足成十字均匀分布在定子下端,圆形压电陶瓷粘贴于定子基体上部,矩形陶瓷粘贴于驱动足表面。对压电陶瓷施加相应的激励信号,使得驱动足和外延圆环产生弯曲振动,由于外延圆环被固定,使得定子整体产生Z方向的纵向振动,而4个驱动足产生垂直于Z方向的弯曲振动,二者叠加,最终在驱动足端部形成椭圆运动轨迹。装配后并进行了机械性能测试,搭建了测试平台,得到了电机的输出特性数据。电机的最大空载转速为1 165r/min,最大输出力矩为0.005N·m。电机的外径为28mm,电机由驱动足直接驱动轴旋转,省去了齿轮减速机构,使得该电机在微小化上存在着巨大的潜力。该样机在原理上证实了多通道控制的可行性。