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系列超声电机问世 南京航空航天大学自１９９５年成功地研制出环形压电行波超声电机原型后,又连续新开发直线型、驻波型和行波型超声电机,其中行波型系电机基本达到国际同类产品先进水平,受到全国首次超声波电机技术研讨会上与会的清华大学、浙江大学、上海交大等高等院校、科研所３０余位专家教授的赞赏。这些系列超声电机已在国内试用,不久将投入批量生产。 超声电机是国际上最近发展起来的一种新型电机,它突破了传统电磁电机的概念。没有电枢绕组和磁路,不依靠电磁相互作用来转换能量,而且利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动,将…     

行波超声马达传动机理的研究(二)——运动平稳性分析及其调速机理和动力传递机理

详细分析了压电行波超声马达定子中两相驻波波幅不等、振动相位差异于９０°时，对转子运动平稳性的影响，并得出定子中同时存在驻波和行波，转子旋转速度以两倍的激振频率变化的结论。系统地研究了压电行波超声马达的三种调速方法：调压、调频、调相。讨论了该马达驱动力产生和负载特性     

行波超声马达传动机理的研究（一）：运动传递机理及定子中存在弯曲…

首先基于几何分析法研究了压电行波超声马达的运动传递机理，重点分析了驻波的产生和行波的合成原理，与转子相接触的定子表面质点的椭圆运动。然后基于弹性动力学方法研究了在定子中存在弯曲行波的条件，得出旋转型压电行波超声马达定子中弯曲行波的产生是基于同频和同节线的两个正交弯曲振型的叠加规律，提出了对圆形薄板圆形对称的基本结构要求。     

行波超声马达传动机理的研究（一）——运动传递机理及定子中存在弯曲行波的条件

首先基于几何分析法研究了压电行波超声马达的运动传递机理，重点分析了驻波的产生和行波的合成原理，与转子相接触的定子表面质点的椭圆运动。然后基于弹性动力学方法研究了在定子中存在弯曲行波的条件，得出旋转型压电行波超声马达定子中弯曲行波的产生是基于同频和同节线的两个正交弯曲振型的叠加规律，提出了对圆形薄板圆形对称的基本结构要求     

国内压电超声马达研究的现状和发展

近几十年来，世界上许多国家对压电超声马达进行了大量的研究。我国自８０年代以来也进行了一些压电超声马达的理论探索和研制的实践工作。本文根据近十几年来国内的有关文献资料，综述了压电超声马达在国内的发展情况，列举了行波型压电超声马达、驻波型压电超声马达、微动压电马达等典型例子，并指出了今后的研究方向。     

超声马达在日本的开发与应用

超过马达的研究，二三二年前在前苏联帮美国已经开始，自从指田年生于１９８３年研制出了行波型超声马达后，研究的中心转到了日本，超声马达的一系列重大研究和开发成果均出自日本。本文根据近年来日本的有关文献资料，综述了超声马达在日本的开发与应用，以及今后的研究课题和发展趋势。     

旋转型压电行波超声马达的驱动与控制技术

压电行波超声马达是一种由高科技发展起来的全新概念产品，它利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将定子的微观变形通过共振放大和界面摩擦，转换成转子的宏观运动。     

圆柱体弯曲型行波超声电机的研究

对圆柱体弯曲型行波超声电机进行了研究。该电机利用圆柱体的两个正交的一阶自由-自由弯曲模态进行工作。首先介绍了这种电机的工作原理;提出了控制电机定子弯曲共振频率的方法;对压电元件位置安排进行了定子的响应分析,成功地设计和制造了原型样机。还对定子进行了激光散斑测振实验,得到了它的一阶振型图。     

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…     

行波超声马达定子谐振频率的分析计算

针对行波超声马达的一种结构,通过等效简化其复合材料定子的模型,推导了定子谐振频率的近似计算方法;还利用有限元法分析计算了定子的振型及其谐振频率;两种方法的结果基本相符,说明基于简化模型的近似计算方法能够反映定子振动的实际情况,这有益于定子结构设计中合理确定相关参数,提高马达的效率和性能。     

超声波直线电机的运行机理

超声波电机的运行机理完全不同于传统的电磁型电机。阐述了超声波直线电机椭圆运动的生成原理,讨论了行波直线电机与驻波直线电机的优劣,为超声波电机设计提供了理论依据。     

斜动子与塔形定子构成的单驱双动超声电机

针对两相超声电机对模态频率一致性要求高及单相超声电机难于实现双向运动等问题,提出了一种单相驱动双向运动斜动子塔形直线超声电机。动子相对于塔形定子倾斜安装,利用塔形定子的面内对称模态或面内弯曲模态为工作模态,通过切换工作模态改变定子驱动足运动轨迹相对于动子的倾斜方向,实现动子正、反向运动。在分析电机工作原理及设计原则的基础上,推导了电机运行的导轨倾角适用范围,对设计制作的原理样机进行了模态实验和机械特性测试。实验表明,在导轨倾斜角为35°,激励电压为500 V,预压为力4.5 N的条件下,面内对称振动模态工作时的最大空载速度为79 mm/s,最大输出力为0.5 N;面内弯曲模态工作时的最大空载速度为756 mm/s,最大输出力为0.8 N。     

基于粘弹性接触模型的行波型超声波电动机特性模拟

基于粘弹性摩擦层在定子表面的行波超声波电动机接触模型,利用MATLAB方法,模拟分析了摩擦材料的厚度和弹性模量对电动机特性的影响。分析结果表明,摩擦材料厚度越小,弹性模量越大,电动机的负载特性越好。当摩擦材料的厚度在0．5 mm以下、负载力矩在36 N·mm以上时,界面转换效率值较高。而当磨擦材料的厚度在0.2 mm左右时,界面转换效率有一个最大值。因此,摩擦材料的厚度一般应选择0．2 mm。当摩擦材料的弹性模量大于1．5 GPa时,在较大的负载力矩范围内,电动机的界面转换效率均较高,因此电动机具有较好的驱动能力。这些结果对电动机摩擦材料的选择有一定的理论指导意义。最后将此模型与现今研究较多的柔性转子和刚性定子模型进行了比较。结果表明,以此模型为基础的行波型超声波电动机可以获得较大的输出力矩。     

旋转行波超声电机的冲击动力学模拟及实验

研究了冲击产生的高过载对旋转型行波超声电机结构和性能的影响机理和规律。首先,结合旋转型行波超声电机的工作机理和结构形式,建立了该型超声电机在冲击载荷下的有限元模型,利用显式算法模拟其在冲击过载环境中的暂态过程,分析电机的定、转子及压电元件等部件的应力和应变分布规律,研究和评估了目前超声电机结构对瞬时超大过载的耐受情况;其次,设计了特定夹持装置,对旋转型行波超声电机的耐过载特性进行了马歇特锤击实验,实验结果很好地印证了理论分析结果;最后,综合理论和实验结果评定了当前典型的旋转行波超声电机结构在特殊使用环境中的耐过载能力及易损伤部件。实验结果表明,紧凑和简单的结构特点使得超声电机本身具有较好的适应大过载环境的工作能力,在直接承8千个重力加速度冲击过载后仍能维持一定的输出特性。     

基于光敏阵列直接调制的单栅式时栅位移传感器

针对传统叠栅形式光栅存在制造难度大、安装要求高等缺点,提出了一种用时间细分空间的单栅式时栅位移传感器。从光的粒子性出发,分析了用正交变化的光场信号合成光场电行波的方法;用点阵发光二极管(LED)模块作为交变光源,用空间正交的光敏阵列直接耦合光强信号获取了反应空间位移的电行波信号;最后,通过检测电行波信号与激励信号过零点之间的时间差,实现了对空间直线位移的测量。研制了原理样机,采用普通机械加工方法对其进行了实验验证。结果表明,在440mm测量范围内,样机的测量精度可达±2μm。该单栅式时栅位移传感器减少了叠栅式传感器对安装工艺的要求,提高了抗干扰能力;采用的测量技术避免了传统粗光栅技术存在的精度难以提高、动态特性差等缺点,为光学位移测量提供了一种不通过精密机械细分来提高测量精度的方法。     

An analytical study on the effect of rigid body translational degree of freedom on the vibration characteristics of elastically constrained rotating disks

This study concerns the linear vibration behavior of annular spinning disk whose inner boundary is free to move in the axial direction while the body of the disk is constrained by a space fixed linear spring. It is shown, using analytical techniques based upon a three mode approximation, that constraining a spinning disk, free to have rigid body translation, with one space fixed spring does not change the critical speeds. Using an analysis, based on a two-mode approximation, the stability characteristics of a guided spinning disk due to the interaction between a rigid body translational mode and a forward or backward or reflected traveling wave are studied. It is shown that the interaction between the rigid body translational mode and a forward or backward traveling wave does not induce instability. In contrast to this situation it is shown that when the rigid body translational degree of freedom interacts with a reflected wave, depending on the speed and the stiffness of the spring, it may induce instability.     

摩擦驱动型压电叠堆直线电机的工作机理

以一种典型的摩擦驱动型压电叠堆直线电机结构为例,对摩擦驱动型压电叠堆直线电机的振动摩擦驱动机理进行研究.结合电机系统的振动脱离模型,分析了电机定子与动子脱离的力学条件,进而分析电机结构参数和工作参数对椭圆运动和振动脱离性能的影响.对原理样机进行了试验研究,结果表明,压电叠堆的激励电压、激励频率和电机的预压力对电机的振动脱离性能有显著影响.     

摩擦驱动型压电叠堆直线电机的工作原理

以一种典型的摩擦驱动型压电叠堆直线电机结构为例,对摩擦驱动型压电叠堆直线电机的振动摩擦驱动机理进行研究。结合电机系统的振动脱离模型,分析了电机定子与动子脱离的力学条件,进而分析电机结构参数和工作参数对椭圆运动和振动脱离性能的影响。对原理样机进行了试验研究,结果表明,压电叠堆的激励电压、激励频率和电机的预压力对电机的振动脱离性能有显著影响。     

超声电机接触界面的时域分析

将超声电机稳定工作时定、转子接触状况的求解转化成静力分析问题。采用ANSYS的三维点点接触单元,对旋转型行波超声电机接触界面建立了时间域分析模型。将摩擦层等效为一个处于某个周向位置的接触单元,法向简化为单向受压线性弹簧,切向用滑动摩擦或粘滑摩擦来模拟。对接触单元施加节点位移条件求约束反力,得到了接触界面对转子的各向作用力的时间离散量,进而由力平衡关系得到预压力和接触界面的动力输出特性。模拟分析了三维纯滑、三维粘滑、二维纯滑、二维粘滑4种情况下的接触状态,比较了各向接触力与定、转子各向速度之间的关系。     

行波超声电机理论建模及优化设计的研究进展

超声电机是一个复杂的机电耦合系统,其理论模型是电机设计中的重点和难点。本文对近20年来旋转型行波电机的理论建模进行了较全面总结,提出现今面临的新课题。提出经过子系统分析在状态空间中建立整个系统理论模型的思路,该模型将使超声电机的性能预测更准确更方便,为超声电机的优化设计打下基础。