微小型驻波超声电机定子振动特性的仿真分析

针对直径10 mm的两种驻波型超声电机定子的振动特性进行有限元仿真分析。利用ANSYS有限元软件建立定子的有限元模型,进行了振动模态及谐响应的仿真分析,获得定子的主要振动模态、模态频率及振幅。探讨了2种压电陶瓷及定子长度对其谐振频率和振幅的影响。研究结果表明,驻波型超声电机定子上斜槽或斜齿结构可实现模态转换,是实现电机驱动的关键。在分析的两种驻波型超声电机的8个定子中,采用PZT4压电陶瓷材料、长度16 mm的斜槽式超声电机定子的振幅值最大。     

一种不对称激励直线型驻波超声电机的研究

设计研制了一种新型的不对称激励的单足直线型驻波超声波电机,电机定子为一块尺寸为26 mm×13 mm×2 mm (X,Y,Z)矩形铜板和对称粘结其上表面的两块压电陶瓷片组成的复合结构.电机只有一种振动模态且只需单一频率驱动,利用不对称激励使驱动足端产生椭圆运动,不需调整不同模态的频率一致性,结构简单.通过有限元分析确定了电机的结构尺寸,由谐响应分析对电机的激励工作机理进行了分析.最后对制作的样机进行了实验测试,试验结果与理论设计一致.在激励电压为150 V,激励频率为151.9 kHz的激励条件下,测得电机最大输出推力为0.855 N,电机速度为260 mm/s.     

盆架形压电振子同型模态驱动平面电机研究

为满足高精度平面运动的需求,提出了一种盆架形的平面超声电机,选取该定子的反对称纵向伸缩振动、左右方杆面内一阶弯振、前后方杆面内一阶弯振模态为工作模态,纵振模态与弯振模态复合形成xOz、yOz面的椭圆运动。该文阐述了电机的驱动原理,基于ANSYS分析软件建立了定子有限元模型,优化了结构尺寸,实现了干扰模态分离,进行了谐响应和瞬态分析,进行了运动调节特性分析。基于频率一致性优化得到盆架形定子的整体尺寸为53.136 mm×4.550 mm×4.560 mm,定子驱动足上x、y、z向振幅分别为2.0 μm、1.49 μm、3.36 μm,模拟出了椭圆运动轨迹,验证了该平面电机具有良好的运动特性,并给出了定子固定方式及设计了电机装配结构。     

双H叉合式定子谐振驱动的压电平面电机研究

为满足应用领域对高精密平面运动驱动的需要,提出了双H叉合式谐振驱动的平面电机及其动力学结构,择取该定子的面外对称弯振、左右杆面内弯振、上下杆面内弯振模态为电机的工作模态,通过面外弯振模态分别与两相面内弯振模态进行谐振耦合,分别在定子上下杆和左右杆的驱动足上复合出沿xz、yz面行进的两椭圆轨迹以驱动动子的x、y向运动。建立了定子的机电耦合分析有限元模型,求取了定子工作振动模态,验证其预设工作模态的存在性。通过对定子进行频率一致性计算,得到定子的主要尺寸为30 mm×8.7 mm×7.4 mm;通过定子谐响应分析,解算出其干扰模态特性,实现了干扰模态分离。通过定子瞬态振动响应计算,模拟出驱动足的两相椭圆轨迹,求得250 V驱动电压激励条件下的驱动足x(或y)和z向振幅分别为1.5μm和1.3μm,验证了电机工作原理并探析其调压、调频和调相振动特性。给出了定子夹持固定方式并完成了电机装配结构设计,该电机具有良好的动力学特性和应用前景。     

基于MEMS与压电陶瓷钎焊的微型超声电机

面向超声电机定子的一体化与微型化需求,提出了一种基于钎焊与微电子机械系统(MEMS)工艺的微型超声电机定子。对超声电机的原理和结构进行分析,利用有限元法对定子的模态与谐响应进行了仿真。利用钎焊工艺将锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷与金属弹性体进行连接,通过MEMS与机械加工工艺对定子的驱动足、上电极等进行制备。对超声电机定子焊接情况进行表征,对超声电机的振动性能与驱动性能进行测试。测试了PZT压电陶瓷与金属弹性体的结合强度,两者之间的抗剪切强度为33.46 MPa,观察了焊接截面形貌,可看出各焊接层厚度均匀,无裂缝、孔隙。搭建实验平台对定子的振动性能与驱动性能进行了测试,微型超声电机的定子的谐振频率为188.15与266.16 kHz,最大振幅为228 nm,在激励电压为30 V、预压力为350 mN时,微型超声电机的最大速度为38.22 mm/s。实验结果表明,该超声电机定子钎焊情况良好,驱动性能较高,具有广阔的应用前景。     

含有残余应力的超声电机定子有限元分析

为研究炮弹发射过程中高速过载冲击所产生的残余应力对舵机超声电机定子的影响,该文采用有限元ANSYS对超声电机定子进行过载冲击仿真分析,加载高过载加速度使其内部产生残余应力,并在超声频率段(30～50 kHz)内进行模态分析.初选定工作模态,当频率段为39～42 kHz时,在模态分析的基础上进行谐响应分析,进一步验证初选...     

基于半功率带宽法的行波超声电机谐响应分析

该文以本单位研制的中空行波超声电机定子为对象,进行了有限元建模及谐响应仿真,发现定子阻尼比的设置对仿真结果的准确性影响较大。通过多普勒激光测振系统测得定子模态参数,利用半功率带宽法求出定子模态阻尼比,代入模型后仿真跟实测结果基本吻合,工作模态B_(011)频率仿真误差为1.66%,振幅仿真误差为4.61%。将定子齿特征参数化,分析了齿距和齿高对定子模态的影响。根据低转速、大扭矩的电机设计目标选取了合适的齿参数,加工出新定子实物。基于同样阻尼比再次进行有限元仿真并对新定子进行激光测振,对比得到工作模态B_(011)频率仿真误差为0.62%,振幅仿真误差为1.94%,验证了有限元谐响应仿真的准确性。此外,对原定子和新定子组装的电机进行性能测试,后者最高空载转速降低了30%,堵转扭矩提升了20%,符合预期设计。准确的参数化有限元模型有助于促进超声电机的快速化设计,提高了对符合电机目标功能的设计参数的选择效率。     

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。     

模态叠加法在压电复合结构分析中的应用

结构动力有限元模型的维数会影响动力响应分析的计算效率.针对ANSYS提供的模态叠加法不能施加位移载荷的问题,该文介绍了一种压电复合结构分析法.在用ANSYS软件进行静态电学分析、模态分析的基础上,从能量分析的角度,间接提取特定的模态参数和相应等效电路模型的电学参数,并由此得到结构的频率响应特性.以超声电机定子为例进行了计算,并与ANSYS完整法谐响应分析的结果进行了对比.     

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。     

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。     

圆板型行波超声波马达的建模与仿真

简述了行波超声马达的基本原理，比较了定子复合圆板分析中有限元和经典振动理论两种方法的优缺点。并利用有限元方法分析了定子板在自由状态下的固有频率及固有振型，给出了分析结果。在此基础上，利用所得数据，对圆板行波超声马达工作原理及工作过程进行了计算机仿真     

基于双定子直线超声电机的移动平台设计

设计了一个新型的直线超声电机移动平台,该平台利用超声电机的并联技术,采用对称的双定子推动直线导轨滑动。定子采用矩形板结构和一端铰支的夹持方式,其工作模态选用矩形结构的一阶弯曲振动模态和一阶纵向振动模态。分析表明,与其他振动模态相比,矩形板结构的一阶振动模态具有较高的输出效率;双定子对称结构能减小定子与直线导轨间预压力对移动平台的影响,利于直线导轨运行稳定性的提高;定子一端铰支的夹持方式能增加定子夹持的切向刚度,可提高平台输出力。该文最后通过实验测试了双定子平台的输出特性。实验结果表明,双定子平台的负载达到8.5kg,最大空载速度为305mm/s,与单定子平台相比,其负载增加了70%。     

Design and control of an ultrasonic motor capable of generatingmulti-DOF motion

A multi-degree-of-freedom (DOF) ultrasonic motor consisting of a bar-shaped stator and a spherical rotor was developed. It can generate 3-DOF rotation of the rotor around perpendicular axes using the bending vibration and longitudinal vibration of the stator, which is designed using the finite element analysis. From the simulated driving characteristics, a control method for the ultrasonic motor is proposed. Following this, the driving characteristics of the motor under both open-loop and closed-loop controls were measured experimentally. The multi-DOF position control of the rotor was achieved successfully using the proposed control method     

旋转型行波超声电机定子的结构优化

为了提高旋转型行波超声电机定子的驱动能力,延长电机的使用寿命,设计了一种带有辐射板的定子,根据辐射板与基体的连接方式共分为a~e 5种结构。基于ANSYS软件建立了定子结构的有限元仿真模型,对其进行了模态分析和谐响应分析。在对比5种结构性能的基础上,以电机的输出性能最佳为目标函数,对定子结构的辐射板槽宽w、外径d及厚度t 3个参数进行了优化,得到定子的最佳结构为a,即辐射板与基体连接长度为1mm,尺寸分别为:w=1.8mm,d=72mm,t=0.5mm。该优化结果可为旋转型行波超声电机定子的加工制作提供参考尺寸。     

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。     

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。