圆柱体弯曲振动超声电机椭圆运动轨迹研究

分析了圆柱体弯曲振动超声电机定子上质点椭圆运动轨迹的特点。从椭圆运动的两个分运动，即有效椭圆运动和线性滑动两个方面，对三种不同驱动方式的电机进行仿真分析，并将结果绘制成图。得出了圆柱体弯曲振动超声电机定子的外圆面中部无线性滑动的结论，为提高圆柱体弯曲振动超声电机的效率及结构简化提供了理论依据。     

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.     

杆式超声电机定子的动力学分析与优化设计

利用有限元理论建立了具有复杂外形的杆式超声电机定子的机电耦合动力学模型.利用该模型对定子的动力学特性进行了求解,一阶弯曲模态频率的理论计算结果与样机定子的模态测试实验的结果相差3.9%.提出杆式超声电机工作对定子模态的要求,推导了这些设计要求的数学表达形式.结合模式搜索算法,建立了定子结构参数的优化设计模型来解决这一多目标的优化问题.算例分析的结果表明,该优化模型可以在满足对模态频率、振型、压电陶瓷安放位置、避免干扰模态等要求的前提下,确定定子的相关几何参数,从而提高电机结构设计的效率.     

基于消除线性滑动的杆状超声电机研究

研究了外圆面质点线性滑动及振幅分布对提高杆状弯曲振动超声电机驱动效率的影响。系统分析了质点的有效椭圆运动及线性滑动的特点,得出杆状弯曲振动超声电机定子的外圆面中点无线性滑动的结论;采用有限元分析方法分析定子表面质点有效椭圆运动振幅分布与其几何参数之间的关系,并据此对定子进行了参数优化,使定子振幅相对集中在中点位置,以提高电机效率。研究结果为采用中点驱动模式电机的设计提供了理论依据。     

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。     

接触面积参数不确定对电机模态影响的研究

针对电机模态不一致问题,进行了接触面积参数不确定电机模态的研究。基于确定性模型建立了接触面积参数不确定电机模态计算的Kriging代理模型,并结合Monte Carlo法进行了电机模态均值对接触面积参数均值的灵敏度分析。研究结果表明,定子铁芯与前端盖接触面积对电机一、二阶椭圆模态、四阶三角形模态的影响最大,对电机三阶三角形模态影响最大的是爪极与线圈接触面积,同时定子铁芯与绕组接触面积对电机一阶椭圆模态、三、四阶三角形模态都有影响。研究结果可为电机模态不一致问题的解决提供依据。     

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。     

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。     

基于OPTIMUS的盘状摇头型超声电机定子参数优化设计

利用ANSYS提供的参数化设计语言(APDL),建立了一种新型盘状摇头型超声电机定子参数化模型,并进行模态分析、模态识别、节点计算、谐响应分析。借助OPTIMUS优化平台集成该参数化模型,以定子结构尺寸参数作为输入,以超声电机对工作频率、模态混叠、弯曲振幅、定子夹持的综合设计要求作为目标,进行了动力学优化设计,并根据优化结果制作了样机。实验表明:定子工作模态满足了预期的设计要求,试验结果与优化设计结果相符。     

双振子弯曲模态直线超声电机的结构设计

通过直线超声电机的结构形式和夹持方式的设计,改善电机的速度稳定性。提出了一款新型直线超声电机。该电机采用矩形板结构,它仅利用了矩形板结构的弯曲振动,有利于提高电机的输出效率;采用双振子结构,有利于提高电机双向速度一致性;单个振子采用一端铰支的夹持方式,有利于提高电机的结构稳定性和速度稳定性。探讨了定子的夹持形式对定子的运动自由度、结构稳定性和速度稳定性的影响规律,提出了有利于结构稳定、速度稳定的定子形式和加持方式;通过ANSYS仿真估算定子振动的对称和反对称模态频率,通过结构优化提高两相模态频率一致性。