旋转行波超声电机性能提升技术进展

为推动旋转行波超声电机的发展及其在精密驱动领域的应用,综述了其性能提升技术研究进展并分析了现阶段尚且存在的技术问题。首先,从定子行波的合成、质点椭圆运动轨迹、接触界面的摩擦驱动等方面论述了传统旋转行波超声电机的运行机理。然后,从结构优化和新材料应用角度综述了旋转行波超声电机的发展及其局限性;从温升控制角度阐释了温度变化对超声电机性能的影响并介绍了现有解决方案;论述了变预压力对谐振频率漂移的耦合影响,并指出了目前研究存在的不足;从双行波驱动角度分析了超声电机发展过程中的重大突破,概况了其研究历程及可行的发展方向。最后,归纳了旋转行波超声电机亟待解决的技术难题,并建议了解决方案。     

控制棒驱动机构用同步磁阻电机低速运转平稳性研究

首先通过分析控制棒驱动机构中同步磁阻电机在低速运行时出现失稳的原因,得到了齿槽转矩脉动、换相换流转矩脉动和低速时电流非正弦引起的转矩脉动对转矩波动的影响规律.然后通过建立的低速运转仿真模型得到了电机在不同转速下的电流和输出转矩,并针对仿真结果,提出了从电机本体结构和控制方式对电机转矩脉动进行优化的方案.仿真结果表明:优化后电机低速运行平稳性得到明显改善,在低速运行时的电流畸变率减小了65%,转矩脉动最高减小了81%.     

电动自卸车轮边驱动电机输出转矩控制分析

电动自卸车采用电传动系统驱动轮边电机,实现短距离高效运输,轮边驱动电机的输出转矩非平稳而是存在一定波动,在某些工况下车身会出现抖动现象,对整车运行及其不利。根据电传动系统结构特点,基于驱动系统原理,搭建轮边双电机控制模型,对轮边电机输出转矩波动进行分析,并对控制方法进行设计分析,基于Simulink搭建动力传递系统模型,并对轮边电机驱动及转矩控制模块进行封装,基于Pharlap系统,利用NI PXI做目标机,对三种不同工况下通过调整相关参数对转矩波动幅度进行控制。结果表明:影响转矩波动的因素较多;通过调整脉冲发生器中误差宽度、转子磁链给定值等可有效控制波动幅度,波动幅度得到明显降低;基于Pharlap系统和NI PXI硬件对不同工况实时仿真大大缩短分析时间,提高了效率,表明了分析结果的可靠性,减小转矩波动对于后续研究以及减小部件的冲击有实际意义,为此类设计控制提供参考。     

基于转矩平衡的带式输送机均衡驱动控制系统的研究

为了解决长距离、大运量、高带速带式输送机因工作时各驱动电机协调性差而导致其负载功率差异性大、驱动电机使用寿命低、输送机运行过程中稳定性差的难题,根据输送机驱动系统的工作原理,提出了一种基于转矩平衡的带式输送机均衡驱动控制系统。对该系统的工作原理、结构和仿真情况进行了分析。结果表明:在转矩平衡控制系统的作用下,从动电机的速度变化曲线沿着主动电机的速度变化曲线波动,其波动量在0.8%以内,整个过程具有较高的均衡性和稳定性。     

工业计量泵数字变频动态补偿控制研究

针对工业计量泵在负载波动情况下的定量控制精度和驱动模快发热问题,对计量泵的工作模型和驱动电机的控制方法进行了研究,提出了一种数字变频动态补偿方法。首先采用霍尔磁钢和霍尔传感器,实时观测计量泵驱动电机的转速变化,将电机的转速波动转换为时间波动,然后对转换后的时间环路运用抗积分饱和PI算法调节转矩电流,再运用相同的方法在电流环路中调节电压,实现了对转速的动态补偿,最后将计量泵动态补偿前后定量控制精度和驱动电机温升的测试结果进行了对比分析。研究结果表明,该控制方法可对驱动电机实施有效的动态补偿,既能减小计量泵定量控制的相对误差,又能降低无功损耗和驱动模块发热。     

突变载荷下采煤机截割传动系统的动力学特性研究

建立了采煤机传动机构的数学模型及动力学模型,利用仿真分析软件对采煤机在不同连接阻尼和连接刚度情况下驱动电机工作时的转速和输出转矩的变化情况进行了仿真分析。结果表明,传动系统的连接阻尼能够降低传动系统工作时的转矩波动,稳定电机的截割工作速度,同时在相同连接阻尼情况下通过适当降低系统的连接刚度可以有效地降低传动系统工作时电机的转速和转矩的波动情况,提高采煤机传动系统工作的平稳性和可靠性。     

运行于真空环境下的超声电机的速度测试与控制

超声电机是一种新型作动器,在航空航天、半导体加工等领域中有着广阔的应用前景。由于超声电机是利用摩擦传动,随着电机运行的时间增加,其温度不断上升,谐振频率随之漂移导致电机速度波动。特别是在真空环境下,由于缺少空气传导与对流换热,超声电机的温升较常态下更为明显。本文研制了基于单片机的速度测试控制系统,根据超声电机运行速度与其驱动频率之间的关系,利用模糊PI方法控制超声电机以期望速度运行于真空环境。实验结果表明利用该系统,可控制超声电机长时间稳定运行于真空环境下（最高真空度可达0.003pa）,速度偏差控制在1转以内。     

超声电机在真空环境下的负载特性试验研究

为了研究超声电机在真空环境下的驱动行为，设计了一套测试装置。通过该装置实现了对超声电机负载力矩的施加以及在真空环境下对超声电机转速、转矩的测量。试验结果表明，超声电机可以在真空环境下工作，但性能较常态环境下有所变化，其空载转速明显下降，堵转力矩有所增大。     

应用Simulink电动轮车辆轮边电机输出转矩波动分析

电动轮车辆在短距离大载重运输中应用普遍,当驾驶员指令突发大幅度变化时,电机可快速响应,但输出转矩波动较大,对系统冲击较大,针对此进行分析。根据电动轮特点,电机采用低速区转矩输出稳定矢量控制,很好实现异步电机转矩与磁链解耦,进而控制电机输出转速。基于Simulink电机矢量控制模型,搭建电传动系统模型,对不同工况电机响应及转矩波动进行分析。针对转矩波动,从控制模型入手分析影响转矩脉动的原因及应对方法。结果可知:设定转速不加负载、转速发生突变、转速缓慢增加、定负载运行等几种工况下,电机调速性能良好,响应迅速;转速发生突变时,电机对于速度响应很好,但在指令改变瞬间,电机输出转矩波动很大,且衰减很快,0.5s左右恢复正常;通过减小脉冲发生器中误差宽度、转子磁链给定值、调整转子时间常数等可有效达到稳定转矩的目的;为进一步实车测试提供参考。     

基于占空比补偿的永磁同步电机齿槽转矩抑制

永磁同步电机工作时输出的转矩出现周期性波动问题,在伺服系统对转矩和速度要求高的场合,波动所产生的影响不可忽视。对此,从电机控制角度出发,提出一种将抑制齿槽转矩波动所需的占空比补偿在矢量控制算法模型中的方法。这一方法通过测量计算电机转子旋转位置和对应位置抑制齿槽转矩所需的占空比之间的数据关系,作为额外补偿的占空比预先存储在矢量控制算法模型中,从而使电机在实际运转时齿槽转矩波动得到抑制。仿真结果表明,基于占空比补偿可以有效减小齿槽转矩波动及所产生的速度波动,改善永磁同步电机的使用性能。     

超声波马达的真空和温度特性研究

研究了超声波马达在非常状态下的驱动行为,选取了5种工程塑料作为转子摩擦材料,利用真空试验机和自制的与其相匹配的超声波马达模拟试验台,采用对比试验方法,研究了接触预紧力、真空度和环境温度等对行波型超声波马达的驱动特性的影响。结果表明,随着预紧力和真空度的增加,马达的堵转力矩增加而空载转速下降;随着环境温度的增加马达的空载转速下降。运用声学理论分析了真空度对接触状态的影响,得出声悬浮作用使定子和转子的动态接触力减小的结论。在真空状态下,超声波马达的堵转力矩比常态下提高的主要原因是声悬浮作用降低引起定子和转子的动态接触力增加所致。     

行波型超声波电动机的模型研究

基于功能转换与守恒原理,根据行波型超声波电动机的特殊结构,借助于行波型超声波电动机定子环表面 的作用力、定子环的波动速度、定子环的机械损耗和定子环对转子环的推动力,按照两种不同的转子材料,从行 波型超声波电动机的物理机理出发,分析和推导了在两种不同的运动状况下转子环存在的功率损耗和转子环的输 出转矩,从而建立了行波型超声波电动机的转矩平衡方程,为行波型超声波电动机的控制提供了实用的数学模型。     

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。     

Principle and experimental verification of novel dual driving face rotary ultrasonic motor

Existing rotary ultrasonic motors operating in extreme environments cannot meet the requirements of good environmental adaptability and compact structure at same time,and existing ultrasonic motors with Langevin transducers show better environmental adaptability,but size of these motors are usually big due to the radial arrangement of the Langevin transducers.A novel dual driving face rotary ultrasonic motor is proposed,and its working principle is experimentally verified.The working principle of the novel ultrasonic motor is firstly proposed.The 5th in-plane flexural vibration travelling wave,excited by the Langevin transducers around the stator ring,is used to drive the rotors.Then the finite element method is used in the determination of dimensions of the prototype motor,and the confirmation of its working principle.After that,a laser Doppler vibrometer system is used for measuring the resonance frequency and vibration amplitude of the stator.At last,output characteristics of the prototype motor are measured,environmental adaptability is tested and performance for driving a metal ball is also investigated.At room temperature and 200 V(zero to peak) driving voltage,the motor’s no-load speed is 80 r/min,the stalling torque is 0.35 N·m and the maximum output power is 0.85 W.The response time of this motor is 0.96 ms at the room temperature,and it decreases or increases little in cold environment.A metal ball driven by the motor can rotate at 210 r/min with the driving voltage 300 V(zero to peak).Results indicate that the prototype motor has a large output torque and good environmental adaptability.A rotary ultrasonic motor owning compact structure and good environmental adaptability is proposed,and lays the foundations of ultrasonic motors’ applications in extreme environments.     

Output characteristics and experiments of a novel low frequency rotary piezoelectric motor

In order to improve the output performance of a piezoelectric motor under low driving frequency, a novel rotary piezoelectric motor driven by two piezoelectric actuators is proposed that is actuated based on harmonic and friction driving mechanism. The motor uses two piezoelectric actuators to drive two amplifying mechanisms with π/2 phase difference to produce harmonic motion, and then drives the rotor to rotate through friction force. Based on the driving principle, the electromechanical coupling equations of the motor are established. And a test platform is built to test the output characteristics of the motor. The results show that fluctuation of harmonic force and output torque occurs when the motor operates at different positions. Under the driving voltage and frequency of 150 V and 5 Hz, the actual average output torque of the prototype is 3.08 Nmm. Moreover, fluctuation of harmonic force and output torque occurs when the motor operates at different positions.

     

径向低速大转矩水液压马达定子曲线特性分析

提出了一种采用自然水(含海水和淡水)作为液压介质进行工作的径向低速大转矩马达.研究了不同类型运动规律下的定子曲线相对应的马达输出转矩及其脉动、输出转速及其脉动、接触应力等特性,并对相关特性进行了详细的分析.分析结果表明,具有过渡区的等加速运动规律下的定子曲线,其相应的马达输出转矩和转速变化较为均匀,转矩脉动和最大接触应力相对都比较小.其余几种运动规律下的定子曲线相对应的水压马达在各方面的综合特性上则相对要差一些.通过对水压马达定子曲线特性的分析,得到了马达输出转矩、转速、脉动率和接触应力的一些重要结论,对径向低速大转矩海淡水液压马达的设计和研发具有重要意义.     

Analysis and measurement of lateral elliptic motion effect for an asymmetric disc-type ultrasonic motor

This paper presents an analysis and measurement method for studying lateral elliptic motion effect of an asymmetric disc-type ultrasonic motor whose stator is a circular disc with a bonded PZT plate serving as a drive. At the edge of the stator with a simple, fixed three-point support of a 120°–90°–150° configuration, there exists a coupled vibration wave with lateral elliptical motion so as to generate a driving force between the stator and the rotor. The equations of the lateral elliptic motion and the driving force are analytically formulated based on the wave equation on the circular plate, thereby obtaining the driving frequency and the revolution speed of the motor. The relationship between the ultrasonic stator and its boundary condition is investigated as well. The analysis shows that the circumferential edge with a 90° included angle is an optimal contact section for the placement of the rotor. Experiments using the laser vibrometer and photodetector are used to show the validity of the proposed analysis method.     

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。     

基于超声微驱动的超声波振动减摩机理

将超声电动机定子和转子接触区定子表面一点的超声波振动分解成水平振动和垂直振动 ,并分析了两个方向振动对超声电动机驱动作用的影响。提出水平振动产生摩擦驱动力 ,垂直振动影响水平驱动的效果 ,将垂直方向超声波振动的作用等效为普通滑动试验中引入垂直滑动方向超声波振动的作用研究 ,揭示了垂直方向超声波振动是导致超声驱动动摩擦因数降低的原因     

圆柱形三自由度超声电机输出性能的仿真设计

研制了一种基于两个二阶弯振模态和一个一阶纵振模态的圆柱形三自由度超声电机.其定子的长度、直径和质量分别为20 mm,56 mm和130 g;转子直径为25 mm;转子绕X、Y和z-轴的空载转速分别为33、35和66 r·min-1,堵转矩分别为24.8、36.6和30.2 mN·m.根据圆柱形三自由度超声电机的结构和工作原理,建立了它的输出性能仿真数学模型.用有限元方法对定子进行结构动力学分析,得到定子上各驱动点的工作频率和工作振幅,计算驱动点的位移和速度;假设定子和转子是弹性接触的,即定、转子之间的接触点由一系列弹簧相连接,根据定、转子的相对运动和胡克定理,计算出每个接触弹簧的变形和弹性力;计算定、转子之间的摩擦力;进而计算出电机的输出力矩、功率损失和驱动效率.根据所建立的数学模型,用MATLAB软件编制了仿真设计程序,计算出电机的输出性能,并与实验结果进行了比较和分析.实验显示,当输出转矩较小时,仿真结果与实验结果符合良好;随着输出转矩的增加,二者之间的误差逐渐增大,而且实验值小于仿真值.结果表明,实际输出性能的下降是由定、转子之间的打滑造成的.电机输出性能仿真的实现,将为电机的性能预估和优化设计打下理论基础.