超声振动承载气膜对电机转子悬浮支承与减摩的研究

设计一种用于支承电机转子的超声波悬浮轴承,该轴承由圆锥形压电换能器辐射端面与连接在电机转子端的圆锥环构成。压电换能器在振动过程中在轴承间隙形成稳定的承载气膜,对电机转子悬浮。对承载气膜产生的承载能力进行分析和测试,获得悬浮力与悬浮间隙之间的关系,从理论上分析在超声悬浮支承条件下,悬浮间隙变化与气膜刚度对电机转速的影响,对转子最高转速与悬浮间隙的关系进行实验研究。结果表明,利用压电换能器圆锥辐射面与圆锥环构造的超声波悬浮轴承,能够形成对电机转子的轴向和径向支承;通过减小悬浮间隙,能够增强间隙气膜的刚度,并提高转子的最高转速,轴承间无摩擦。     

圆筒型非接触式压电作动器的设计与试验研究

 提出了一种基于超声悬浮和驱动的非接触式压电作动器,该作动器中的转子呈完全悬浮状态。转子的悬浮由兰杰文换能器提供,自身旋转与定位由圆筒型定子提供。通过分别对换能器和定子的压电陶瓷片施加电压,使得换能器悬浮端面激发出一阶弯曲振动模态,而定子激发出两相B(0,3)驻波并合成一高声强行波,进而诱发高声强声场来驱动转子。分别建立了非接触式压电作动器中兰杰文换能器和定子的有限元模型,对换能器和定子进行了分析、设计、扫频以及定频试验,确定了结构方案, 最后加工、制造了样机。搭建了整个样机的测试系统,对其悬浮和驱动特性进行了分析,测得转子转速可达4261r/min。结果表明转子在近声场的作用下成功地实现了完全悬浮式的高速旋转。      

永磁轴承最小悬浮转速与转动惯量的关系研究

为研究永磁悬浮旋转体实现稳定平衡的最小转速与转动惯量的关系,设计了一种新型永磁轴承透平机,在同一定子内安装3个结构和尺寸相同但转动惯量不同的转子。测量3个转子的转动惯量,并用均匀分布在透平机定子外部的4个霍尔传感器测量转子偏心距。实验结果表明,当转速超过某一临界值时,陀螺效应使得永磁悬浮透平机转子维持稳定的悬浮,并且最小悬浮转速与转动惯量负相关,即转动惯量越大的转子悬浮需要的转速越小。     

用于精密定位平台的直线超声电机的异步并联

提出了直线超声电机异步并联的概念以提高精密定位平台驱动单元的位移分辨率、输出力及速度.基本原理是若干定子(或振子)在一个振动周期内交替驱动动子(或转子),使实际的驱动频率成倍提高,可以获得更好的输出性能.分析显示,提高定子与动子之间的接触频率可以提高输出力和速度,改善瞬态响应特性,并可避免同步并联方式下定子的相互干扰问...     

悬浮转子式微陀螺的反电动势转速检测

根据液浮转子式微陀螺闭环驱动系统对转子转速测量的需求,提出了一种适用于悬浮转子式微陀螺的反电动势转速检测方法.根据楞次定律,永磁转子在附有检测线圈的定子中转动时,会切割磁感线感应出反电动势.对反电动势信号进行分析,即可测得转子的转速.由于检测线圈与驱动线圈共用定子铁芯,这种检测方法在降低定于结构复杂度的同时,也引入了矩形波驱动信号带来的毛刺干扰.干扰信号经过模拟低通滤波器衰减后,通过模数转换器转换为数字信号.该信号通过单片机上运行的过零检测算法处理后,即可得到当前转子的转速.测试结果表明,该转速检测系统在刷新率为4 Hz、转速达到5 000 r/min以上时,测量值的相对误差在0.3％以内,其非线性误差为0.41％,能够满足对悬浮转子式微陀螺转速进行检测的要求.     

一种用于鸭翼控制的摇头型双圆环压电马达研究

针对制导弹药平台对舵机的紧凑、直驱等要求,提出了一种采用夹心式换能器诱发双圆环弯曲振动的复合型压电定子结构,由此可构成结构精巧的摇头型双圆环旋转压电马达,用以驱动鸭式舵翼产生特定的偏转运动。该马达中的复合定子主体为一个具有四片压电陶瓷片的夹心式换能器,分别在换能器两输出端设计了利于放大振幅的环形圆盘;夹心式换能器的摇头运动激励出两端环形圆盘的五阶弯曲模态,通过圆环将输出振幅进一步放大;两个圆盘形转子在一定的预压力作用下与复合型压电定子两端的圆环表面保持紧密接触,通过摩擦将圆环表面的椭圆轨迹转换为转子的旋转运动。设计了可用于某制导系统鸭舵偏转操纵的直驱马达结构,建立了基于夹心式换能器的双圆环形定子结构动力学模型,通过有限元软件对定子的模态进行了仿真分析,设计并加工出了样机。搭建了测试平台对样机的输出特性进行了实验,测试结果表明：该双圆环（双）输出轴马达可实现双输出轴同时旋转,在300 V峰峰值的驱动电压下,最大转速可达190 r/min,最大输出扭矩可达0.07 N·m。     

刚性飞轮转子-基础耦合系统的径向振动分析

以600Wh飞轮储能系统为研究对象,建立转子-基础系统的径向耦合动力学方程,通过数值积分法分别分析了不同飞轮转速对基础振动的影响和不同基础径向支承刚度对飞轮转子振动的影响,并采集了飞轮储能系统某一转速下的试验数据,与仿真结果对比,验证仿真结果的准确性。结果表明:定转子在平动和倾斜运动过程中都会受到转子固有频率,定子固有频率,不平衡量三个主要激励,改变飞轮转速或基础径向支承刚度会影响三个激励对应的频率分量和幅值。     

基于定子电流谐波的异步电动机转速测量研究

提出了一种测量封闭体内电动机转速的方法。通过测量异步电动机定子电流内的转子槽谐波频率分量和偏心频率分量,辨识出转子槽数,用转子槽谐波频率和转子槽数获得电动机的转速。     

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。     

基于ANSYS的磁悬浮挠性转子模态分析与设计

以一台磁悬浮挠性实验转子为例,结合ANSYS软件,探讨了磁悬浮挠性转子的模态设计方法,研究了支承刚度对转子模态频率和模态振型的影响,在此基础上,分析了过临界转速的磁悬浮挠性转子支承刚度的设定原则,并给出了磁悬浮实验转子的合理支承刚度范围。研究表明：影响转子模态可观性和可控性的一个重要因素是径向磁力轴承转子和位移检测环的长度之和与转子总长度的比值;支承刚度除了影响转子的模态频率外,还影响转子的模态振型,并且当支承刚度高到一定程度后,模态的可控性和可观性严重恶化,甚至可能导致磁悬浮转子过临界转速时失稳。     

轴/径向耦合式非接触型压电作动器的研究

提出了一种基于近场声悬浮机理的球转子压电作动器,特别设计了可分别沿轴向和径向辐射超声近场的作动器,其目的是为了实现球转子的稳定、可控悬浮和高速旋转,可将其应用到航空航天的高速电机、球轴承传动或姿态传感领域。该新型压电作动器通过轴向与径向悬浮装置的不同耦合形式来提供超声悬浮力并以非接触的方式驱动球转子,实现对球转子的灵活控制。介绍了轴/径向耦合式非接触型压电作动器的结构和工作原理,通过仿真得到了悬浮装置的声场分布形式,深入分析和阐释了球转子的悬浮和驱动机制,加工了样机,搭建了轴/径向耦合式超声悬浮型压电作动器的特性测试系统,通过非接触式激光位移传感器得到了球转子的悬浮特性,并获得了691.5r/min的转速。     

非接触压电微马达的仿真与实验研究

提出了一种基于四区和八区2种激振方式的新型非接触压电微马达,并进行了振动模态的有限元数值模拟。利用ANSYS有限元软件对定子进行模态分析,并用激光测振仪对四区和八区2种激振方式下的定子进行位移扫频和振型测试,得出:最优驱动频率分别为34.4 kHz和46.3 kHz,相应的模态分别为B₂₁和B₂₂,二者结果吻合较好。对微马达的输出性能进行了实验研究,结果表明:三叶片和六叶片转子在八区最优模态激振下转子的转速约是四区的2倍。说明了增加定子的分区数不仅改变了定子的最优驱动频率而且能够明显提高转子的转速。而且当A-B间相位差从90°调谐到270°时,行波的传播方向发生了改变,从而实现了转子的换向。实验还表明,转子的正反转的转速基本一致。     

非接触式球形转子压电作动器驱动器技术

为了解决非接触式超声电机的近声场驱动问题,提出利用有限差分法求解转子转速的方法.首先,设计出一种新型的非接触式球形转子压电作动器,根据其结构建立数学模型,对定转子之间的挤压膜中气体的控制方程进行简化;然后,利用有限差分法对挤压膜和转子的耦合控制方程进行离散并求解出转子随时间的转速变化曲线和稳定后的压力振型;最后,加工出作动器样机并建立实验系统,得出的实验数据与理论计算数据一致.本研究工作对在非接触式超声电机中如何提高转子转速提供了理论分析的方法和途径.     

基于能量等效的行波型超声波电动机解析模型

提出一种基于能量等效的行波型超声波电动机稳态特性分析计算的解析模型.首先通过能量等效原则将压电复合定子环简化成复合等直梁模型,综合考虑压电复合定子的转动惯量和剪切变形的影响,利用铁木辛柯梁振动理论得到电动机定子振动的频率方程和强迫振动稳态解:其次,对电动机定、转子接触面的滑动状况进行分析,利用弹性接触理论确定了定、转子接触面的力传递模型和效率表达式,通过把定、转子接触面的摩擦损耗和转子的输出功率视为定子强迫振动的等效阻尼损失,由此建立电动机的机械特性和输出功率表达式;最后,仿真和试验分析了不同电动机结构和材料参数以及定子预压力、驱动频率和摩擦层厚度等对电动机振动特性和机械特性的影响,试验证明了该模型的有效性和适用范围.     

一种旋转压电陶瓷驱动器的设计和研究

为发挥压电陶瓷分辨率高、频响高、功耗低及抗电磁干扰能力强等优点,进一步简化压电旋转驱动器的结构,提高压电驱动工作效率,设计和研制一种新型压电旋转驱动器。驱动器以压电陶瓷双晶片为原动件,通过联接机构联接定子和转子,选用滚子结构的超越离合器驱动机构,将双晶片扭转位移运动转化为输出轴的连续旋转运动。驱动器结构简单,体积小。通过理论分析、有限元仿真和试验研究表明,驱动器的转速与驱动信号的频率、电压近似呈线性关系,具有良好的输出特性,步进精确,运行平稳可靠,适于在微驱动领域应用。     

永磁体磁浮叶轮血泵的研制和试验研究

旋转血泵磁浮轴承的定子和转子之间没有机械接触,所以其内部不会发生机械磨损或产生血栓。然而,现有的磁浮轴承均采用电磁铁来实现磁浮,不仅控制复杂,而且自身消耗能量。事实上,叶轮血泵要做到用电磁铁来实现磁浮,势必要影响其装置的简易性、可靠性和可植入性。采用永久磁铁研制出磁浮叶轮血泵。泵的转子径向由永久磁铁磁力支撑,转子的一端紧固叶轮,另一端镶嵌磁钢;与转子磁钢相对,驱动磁钢连接在电动机转轴上。这样,电动机通过磁偶合来驱动转子。在实验室用生理盐水试验,当转子静止或低于4 000r/min旋转时,转子磁钢在轴向与位于转子和定子之间的隔板有一点接触,接触点位于转子的轴线上。当转子转速逐渐增加至4 000r/min以上,转子在轴向与定子脱离,从而实现完全磁浮。由于转子轴向磁浮由液动力产生,且转子磁钢有陀螺效应,所以转子在浮起的过程中运转非常平稳。作为左心室辅助装置,叶轮血泵工作转速范围在5 000～8 000r/min之间,所以实用时转子完全磁浮是不成问题的。永磁体磁浮叶轮泵保持了旋转血泵的优点,而且克服了用电磁铁来实现磁浮的诸多缺点,能够满足人工心脏叶轮血泵应用的大多数技术要求,从而更具实用价值。     

Development of a spherical motor driven by electro-magnets

This paper presents a spherical motor driven by electro-magnets that can rotate omnidirectionally with some degrees of rotation angle error independent of rotation direction. The spherical motor is composed of a spherical rotor, a semi-spherical stator, a control PC, a control circuit, and a DC power supply. The rotor has 92 neodymium magnets. On the other hand, 84 electro-magnets are arranged on the stator. Each electro-magnet can be excited to north or south magnetic pole. The control PC calculates the posture of the rotor after a small time interval and generates the pattern of excitation of electro-magnets in order to rotate the rotor to its calculated posture. The results of the performance of the developed spherical motor show that the maximum torque is 0.24 (N·m), the maximum rotation speed is 2.5 (rad/s), and the average error of rotation angle is several degrees.