解决超声电机定子模态混叠的有效方法

针对超声电机定子在设计过程中的模态混叠现象,从定子的灵敏度分析出发,利用有限元法,计算出旋转型行波超声电机定子的模态频率对各结构参数的灵敏度,寻找出分离超声电机定子工作模态与非工作模态的一般方法。文中以南京航空航天大学超声电机研究中心研制的某TRUM-60旋转型行波超声电机为例,对其工作模态与非工作模态进行了分离,计算结果表明,该文提出的方法能很好的把工作模态与非工作模态分开。试验也证明该办法是行之有效的。     

多棱面金属管状弯曲旋转超声电机

研制了一种新型金属管状弯曲旋转超声电机,该电机的定子由一个具有12个棱面的金属管和粘贴其上的PZT片组成,其尺寸为外径42 mm、内径34 mm、长44 mm。当电机运行时,在定子端面圆周上激发出3个波长的行波,定子以3个波峰同时与转子接触。试验结果表明,电机的工作频率为29.9 kHz。在激励电压峰-峰值为250 V,预压力为7 N时,电机的空载转速为280 r/min,堵转转矩为62 N.mm,与同尺寸的采用4个激振区的弯曲旋转超声电机相比分别提高了40%和122%。     

复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机研究

为了丰富旋转超声电机的型式,该文提出了一种复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机。选取定子的面内、外弯振作为电机的工作模态,阐述了定子驱动机理。建立了定子有限元(FEM)模型,对电机进行模态分析,基于两相工作模态频率一致性的目标对定子进行尺寸优化,最终确定定子的主要尺寸L、H、K、J、I、D分别为18.2 mm、3.2 mm、36 mm、4.3 mm、11.6 mm、3.4 mm,此时两相模态频率分别为37 851 Hz和37 959 Hz。对电机进行谐响应分析,以排除干扰模态的影响。对电机进行瞬态分析,当以250 V、37 800 Hz的信号激励时,x、y、z各向振幅可达393 μm、3.61 μm、4.12 μm。探究了电机的调压、调频及调相特性,设计了电机的装配结构,该电机有望产生较大的动力及速度。     

杆式行波超声电机紧固力的实验研究

以提高一种杆式行波型超声电机性能为目标，对电机定子的结构进行了介绍，强调了定子的紧固力对压电陶瓷及电机本身性能的重要性。介绍一种电机定子紧固力的间接加载方法和PSV-300F-B型高频扫描激光测振系统工作原理及其使用方法。通过实验，得出电机定子的紧固力与定子的一阶弯曲共振频率、工作端面的最大振幅及其振动速度的关系。经过权衡多方面因素，确定本电机的最佳紧固力约为3900N，此时压电陶瓷片承受的压应力为21．3MPa。     

一种圆筒型转子的中空型超声电机的研制

针对某些飞行器舵机控制系统需要旋转型超声电机具有中空结构、转子与负载结构融合以及具备一定的保持力矩等特定工程技术需求,该文提出了一种圆筒型转子与舵翼结构一体设计(外圈输出)的中空型超声电机,开展了该型电机的结构及预压力施加方案的设计和试验研究。建立了电机定子的有限元模型,分析了不同结构尺寸对定子模态的影响,进行了结构尺寸的灵敏度分析,优化了定子的结构,计算出其共振频率、振动幅值。最后试制出了原理样机。实验表明,在激励电压为450 V,激励频率为40.2 kHz时,样机的空载转速可达208 r/min,堵转力矩可达0.35 N·m。     

四音叉定子驱动的压电旋转电机动力学特性

提出基于四音叉式定子驱动的旋转超声电机,选定定子的一阶面外弯振与二阶面内弯振为工作模态,复合形成旋转运动。阐明了电机驱动机理,基于频率一致性优化得到音叉杆尺寸为24 mm×4.2 mm×5 mm,公共部分尺寸为12 mm×12 mm×3 mm。建立电机的有限元(FEM)模型,对电机进行谐响应分析,排除激励时产生干扰模态。采用激励信号幅值为250 V、频率为28 000 Hz对电机进行瞬态分析,得到动足的x、y、z向振幅分别为1.4μm、0.8μm和1.2μm。对电机进行运动特性分析,验证了该旋转电机具有良好的调频、调压、调相特性。     

新型锥壳形旋转超声电机的研究

该文提出了一种新型锥壳形旋转行波超声电机,该锥壳形超声电机振子的三阶弯曲振动模态可以将面内、外弯曲振动结合起来,实现新型振动模式的行波驱动。利用有限元软件确定了振子结构尺寸、三阶弯曲振型及频率并制作了原理样机,对原理样机振动特性及输出性能进行了测试。测试结果表明,当激励电压峰峰值为240 V,谐振频率为27.53 kHz时,空载时超声电机最高转速为85.8 r/min,堵转力矩为441 mN·mm。     

一类行波型直线超声电机定子的优化设计

针对一类环形行波型直线超声电机定子的动态设计提出一种间接优化方法。数值研究表明，该优化方法能保证定子存在按设计所需的正交的弯曲振动模态。对自行研制的直线超声电机定子，进行了激光测振，实验结果表明定子的弯曲振动固有频率差的设计计算值与相应的共振频率差的测试值吻合。     

行波型杆式超声电机定子模态干扰的研究

行波型杆式超声电机定子模态干扰会造成电机工作效率低下,不稳定,难以控制等问题。首先利用有限元法和Hamilton理论,建立行波型杆式超声电机定子的动力学有限元模型;其次进行模态分析,求解各模态频率对定子结构参数的灵敏度,以此为依据进行结构参数调整,实现定子工作模态与干扰模态分离;最后制作了定子样机。其模态试验结果表明达到了模态分离的目的:定子工作模态频率至少在2 kHz范围内不存在其他干扰模态,从而验证了该方法的有效性。     

TWUSM振动模态鲁棒滑模观测器研究

考虑到行波型旋转超声电机（TWUSM）控制精度与定子两相振动模态有关,但其不易测量。因此,该文提出了一种具有参数鲁棒性的滑模观测器以实现优化定子振动模态。首先,分析定子两相振动模态及合成行波对TWUSM高精度控制的影响;其次,利用电机可测的电流、电压信号建立振动模态滑模观测器,分析TWUSM参数时变特征,并证明观测器的稳定性与鲁棒性;最后,通过仿真与实验对所提出的振动模态滑模观测器进行验证。结果表明,滑模观测器能准确估计两相振动模态,且具有参数鲁棒性。此外,基于观测结果改善驱动电压,实现定子振动模态优化,从而降低输出转矩脉动,提高电机控制精度。     

SAMCEF在超声波电机设计中的应用

在微机电领域中,为获得超声波电机的振动模态及谐响应特性,利用SAMCEF有限元分析软件对直径为50 mm的环形行波型超声波电机压电转换器和定子的振动状态进行了分析;在完成超声波电机定子建模的基础上,进行振动模态分析和最优模态选择,并在此基础上进行了谐响应分析。分析结果表明,利用SAMCEF软件对超声波电机进行分析被证明是一种行之有效的方法。     

行波型球形超声电机定子的优化设计

提出了一种具有同步调心结构的球形超声电机,建立了电机驱动力矩的数学模型,重点对行波型定子进行结构优化设计。利用ANSYS对定子进行模态分析和谐响应分析;通过灵敏度分析确定结构参数优化变量,以最大干扰模态与工作模态频率差和最大定子表面振幅为优化目标,建立设计空间的响应面模型,采用多目标遗传算法(MOGA)进行优化求解得到Pareto前沿,最终确定结构参数并对定子试制件进行定扫频实验。测试结果表明,优化后的定子工作模态频率±2 kHz内无干扰模态产生,且定子两相驻波表面质点具有较大振幅,满足使用要求。     

超声电机定子的驱动方式及其振动响应特性

通过对行波型超声电机定子电学特性的描述,分析了其电学特点以及对功率驱动的要求,探讨了其在不同工作频带和驱动方式下所具有的特点。在实验研究中,设计了相关实验方案,研究了定子在不同驱动方式下所具有的振动响应、电学性能以及相对的振动效果。最后,根据理论分析和研究结果,提出了超声电机驱动方式选择的最优原则。     

行波型超声波电机等效电路建模

该文在深入分析超声电机运行机理的基础上,从定子、接触区域和转子3方面建立了超声电机等效电路模型。综合现有超声电机等效电路模型的优缺点,考虑摩擦耦合对超声电机的影响,并结合转子振动方程,提出了摩擦层与转子的等效电路模型;对转子侧等效模型进行优化,使其与定子模型结合成完整的电机模型。基于所建立的模型理论,对等效电路进行仿真,仿真结果表明了转子对整个电机电气特征的影响。通过对实际超声电机的测试及其与仿真波形的对比,验证了所提出的行波型超声波电机等效电路模型的正确性,为进一步开展超声电机驱动器和控制器的设计提供了模型基础。     

环形直线行波超声电机定子的模态分析

针对一类环形封闭式的行波型直线超声电机定子的振动模态进行了有限元与实验研究。该类电机的定子由两个半圆环和两段直梁构成。分析了有限元的单元尺度对固有频率及频率差的影响以及压电陶瓷片的粘贴位置对固有频率及弯曲振型的影响。对自行研制的超声电机进行了实验研究。实验结果表明，固有频率差的数值计算值与相应的共振频率之差吻合。     

行波超声马达压电振子的分区与极化工艺

提出并研制了一种新型定子结构的圆板型波超声马达，针对压电振子的分区和极化工艺，提出了一种不同于传统方法的新设想。对实验马达测试表明，提出的新设想具有优越的工艺性和实用性。     

压电叠堆驱动式超声电机设计

该文研究了拟发挥压电叠堆大输出力的特点,并提出了一种压电叠堆驱动的超声电机。电机定子由压电叠堆与金属弹性体结构组成,定子在交变激励信号下产生行波振动,并通过摩擦耦合驱动转子旋转输出。该文制作了样机,并搭建了实验平台。测试结果表明,电机转速与驱动电压呈正相关关系。当驱动电压峰-峰值为310 V时,电机最大输出转速为42.55 r/min,输出扭矩为0.8 N·m。     

超声电机定子支撑结构的抗过载能力分析

为提高弹载舵机控制用超声电机的抗过载能力,该文选取超声电机最薄弱的定子支撑为研究对象,以其厚度、位置及宽度为设计变量,使用有限元分析法模拟炮弹发射时产生的10 000 g（g=9.8 m/s2）高过载环境,研究不同参数定子支撑的抗过载能力,设计出合理的超声电机定子结构。最后通过马歇特锤击实验得到优化前、后定子的高过载冲击变形情况,并使用磁滞测功仪检测装有冲击变形后两种定子的超声电机的输出性能。实验结果表明,采用优化后的定子结构的超声电机经大过载冲击后,其输出性能更好。