双翼形直线超声波电动机

提出一款双翼形直线超声波电动机。电机定子为一个带双翼的空心圆柱结构,其利用双翼弯曲振动致使空心圆柱上下、左右摆动的两个振动模态工作,驱动动子旋转直线运动。推导了电机定子驱动质点的运动轨迹方程,研究了电机定子驱动动子运动的工作机理。利用有限元法进行分析计算,对定子驱动质点的运动轨迹进行了仿真,验证了电机运动机理分析的正确性。制作了双翼形直线超声波电动机原理样机,并进行性能测试,试验表明电机的工作频域范围较宽,在激励电压峰峰值为250 V时,电机的空载速度为1.55 mm/s,最大输出力为0.106N,是定子质量的11.7倍。     

一种基于压电叠堆的微型直线超声波电动机研究

对已有的直线超声波电动机进行改进,研究了一种新的微型直线超声波电动机,采用了压电叠堆,具有低驱动电压、结构简单、装配方便的特点。压电叠堆通过自主设计完成。电机定子使用对称和反对称模态作为工作模态,在ANSYS软件中使用有限元方法分析了电机定子的对称和反对称2种模态频率对其结构参数的灵敏度,并对其进行调整,以使得定子的对称和反对称模态频率保持一致。对电机定子进行了模态测试,实验结果与理论分析基本一致。对样机进行了性能实验,当实验条件为激励电压15 V、频率38 k Hz时,样机的无负载最大速度为30 mm/s,最大推力为2.2 N。通过微型化改进,电机定子最大推重比从97 N/kg增加到157 N/kg。     

微型化矩形振子近似行波型直线超声波电动机

探索了在微型直线超声波电动机中实现近似行波驱动的途径,研制了一种外形尺寸为39 mm×6 mm×12.7 mm的环状矩形振子近似行波型直线超声波电动机。结合电机振子的有限元模态分析,阐述了依靠激发空间相位差为90°的两个正交弯曲振动模态,实现行波在环状矩形振子上被激发和传播的电机运动原理。使用7块压电陶瓷片来分别激发振子的两个工作模态。在振子底部设计了梳齿状结构,以放大振幅。利用有限元法进行结构设计,使两个工作模态的频率简并。通过激光测振,证实了电机振子设计方案的有效性。通过对实际样机的驱动齿旋向测试,初步证实近似行波的形成及传播的存在。初步的样机特性实验表明:在频率为66 kHz和160 V峰峰电压激励下,电机最大速度为162.5 mm/s,最大预压力负载为8.5 N。该电机初步达到设计目标。     

一种压电叠堆非共振V形直线超声波电动机研究

提出了一种压电叠堆非共振V形直线超声波电动机。电机工作在非共振状态下,在两路相位差90°的同频率正弦信号激励下,驱动头产生椭圆轨迹。电机定子采用了压电叠堆,实验表明电机在较宽的激励信号频率范围内平稳运行,电机速度与激励频率近似成线性关系。测试可知电机在电压峰峰值5 V、激励频率96.7 Hz时,最大运行速度达到25.78 mm/s,最大输出推力为2.14 N。     

单模态纵-弯复合直线电动机的机理与特性

提出了一种融合一阶纵振和四阶弯曲振动模式的单模态直线超声波电动机,介绍了电动机的结构和运行机理,利用有限元方法建立了电动机定子的机电耦合模型,仿真分析了电动机定子的振动特性,确定了电动机定子工作模态和工作频率;利用弹性杆的纵振动和悬臂梁的弯曲振动理论建立了电动机驱动足椭圆运动轨迹方程,分析了激励电压相位差对电动机椭圆轨迹的影响;利用粘弹性接触机理给出了电动机的机械特性输出曲线,分析了预压力、激励电压幅值和激励频率等对电动机输出特性的影响。通过数值和仿真分析得出:单模态直线超声波电动机的工作频率为39 860 Hz,在外加激励电压Up-p=100 V时,电动机最大输出推力和空载速度分别达到19.1 N和310 mm·s~(-1)。     

直线超声波电动机定子和夹持元件的一体化设计

提出超声波电动机定子和夹持元件一体化设计方法。该方法将V形直线超声波电动机的驱动足、配重块和夹持元件设计成为一个定子的整体结构,该结构由45#钢通过线切割加工而成。其中的夹持元件由柔性铰链构成,以代替弹簧元件起弹簧作用。有限元方法被用来优化定子的结构,以保证两相振动模态的一致性。试验表明,在激励电压为200 V和预压力40 N情况下,电机的最大运行速度为471 mm/s,最大输出力为15 N,定子质量为125 g,推重比达到12。     

双兰杰文振子V型直线超声波电动机的设计与实验

提出了一款由双兰杰文振子组成的V型直线超声波电动机,该电机通过两个兰杰文振子的纵振和弯振,在定子驱动足上形成椭圆运动,从而驱动直线滑轨对外输出直线运动。该电机使用了阶梯型超声变幅杆,有效地放大了定子驱动足处的振幅。介绍了电机的结构和工作原理,然后介绍了使用有限元法优化定子的方法,最后对实验样机进行了输出特性测试。结果表明,该电机无负载的最大输出速度206 mm/s,电机的最大输出力为10.5N。     

一种非共振式压电叠堆直线电机的机理与设计

提出一种利用压电叠堆驱动的非共振式直线电机.研究了非共振状态下压电叠堆输出机构的理论模型,提出了电机定子的"三明治刚度"结构.研究了基于压电叠堆的非共振状态下摩擦驱动机理模型,推导了驱动足端部的椭圆运动轨迹.对设计、制造的样机进行了测试,试验表明在较宽的频率范围内,电机运行平稳,且电机速度与激励频率、激励电压近似成线性关系.当电压峰峰值为100 V、频率为1.6kHz、预压力为45N时,速度可达2.8mm/s,输出力为3.5N.     

一种矩形板四足驱动旋转超声波电机的设计与仿真

为了拓展超声波电机的应用领域,提出了一种贴片式超声波电机。该电机利用压电陶瓷片d_(31)横向振动模态激励矩形板产生变形,激发四个驱动足端面产生椭圆轨迹运动经摩擦耦合推动转子连续旋转。对定子组件的结构进行了优化设计,之后利用有限元法进行模态分析,提取到所需的谐振频率为22.244kHz,输入两相20V_(p-p)激励电压后得到了定子驱动足端面的椭圆运动轨迹。研究表明,提出的超声波电机驱动足采用摩擦面,相比于以往仅靠点摩擦驱动转子的超声波电机增加了定、转子之间的接触面积,提高了能量转换效率;同时贴片式结构为超声波电机的小型化提供了理论基础。     

纵弯模式驻波直线超声波电动机原理与设计

提出了一种基于薄板面内振动的纵弯模式驻波直线超声波电动机。利用定子一阶纵振和二阶弯振的复合振动使得定子驱动足上质点的运动轨迹为椭圆,在两驱动头的上方紧压一直线导轨,驱动头的椭圆运动通过两者的接触表现为导轨的左右直线运动。讨论了该电机的驱动机理,并对电机的输出特性做了初步的实验研究。     

Mechanism analysis and output characteristics experiments of an ultrasonic motor with circumferential surface drive

A kind of ultrasonic motor, whose rotor is driven by stator’s inner circumferential surface, has been designed and fabricated. The paper has analyzed the stator deformation characteristics under bending mode by using finite element method, identified the motor’s working mechanism with two-phase voltage drive, and studied the different functions of tangential and radial displacements of the stator’s inner circumference small teeth under bending mode and pointed that the above mentioned displacements along two directions of small teeth could drive the rotor continuously with single-phase voltage. The paper has discussed the motor’s rotary direction reversing and put forward a concrete scheme of reversing with single-phase voltage drive. The mode of the stator was obtained by experiment. Under two-phase and single-phase voltages, running experiments of the motor have been accomplished and the corresponding characteristics curves have been drawn. Taken above analysis result as driving mechanism, a kind of thin-type standing ultrasonic motor can be developed further.     

夹持式双面齿型行波超声电机研究

针对传统行波超声电机单面驱动、输出力矩小以及激励电压与疲劳寿命受限于胶层强度等问题,设计了一种夹持式双面齿型行波超声电机.电机采用夹持式双面齿型定子和双转子结构,不仅可施加较高激励电压,而且可实现双面驱动.利用有限元软件对电机定子进行仿真分析,通过模态分析获得电机定子的B(0,8)阶弯曲行波模态振型及其谐振频率,并通过...     

Linear stepping ultrasonic motor

A linear stepping ultrasonic motor, based on vibrators alternative driving and slider grooves positioning, is proposed in this paper. The step-by-step movements can be obtained by exciting two vibrators of stator by turns. The motor is capable of bi-direction stepping movements without accumulative position errors driven by an open-loop control circuit, which provides single-phase sinusoidal signal via a switch unit to the vibrators. Its step displacement is 1 mm. The speed without load in one step is 7.69 ∼ 8.33 mm/s, and the blocking force is 0.12 ∼ 0.35 N in operating frequency 30 kHz and operation voltage 300 Vpp.     

圆柱定子三自由度球转子超声波电机的轨迹运动方程

圆柱定子3自由度球转子超声波电机利用一个定子的3种共振模态的两两叠加、合成，分别驱动一个球转子的3个自由度的旋转运动，三相同时激励时的轨迹运动方程是实现球转子预期轨迹控制的关键理论模型。在定子3种不同模态的有限元分析基础上，该文推导了圆柱定子3自由度球转子超声波电机在3相同时激励时的运动轨迹及传递机理，并对不同激励条件下的轨迹运动方程进行了分析、对比，为提高圆柱定子3自由度球转子超声波电机的定转子传动效率和进一步定量分析动力传递方式，定子优化设计，以及球转子的轨迹控制策略奠定了理论基础。     

一种轮式直线型超声电机

利用非统一截面梁在正交方向上的2个6阶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,对其驱动机理进行详细的分析,推导出定子表面质点的运动轨迹。同时,对定子的夹持和预压力施加方案进行了设计。设计加工的电机定子直径为20mm,长109mm,重230g。在驱动电压峰峰值为300V,驱动频率为32kHz时,电机最高速度达到433mm/s,最大推力为18N,推重比达到了7.9:1。     

“工字形”直线超声电机的结构设计与模态分析

为了提高直线超声电机的输出性能,研制了纵弯复合模态“工字形”直线超声电机,对“工字形”弹性体的几种复合振动模态及其驱动方案进行了分析,确定了振子的工作模态。完成了“工字形”振子的结构设计,利用ANSYS软件对“工字形”压电振子进行了优化设计,确定了定子各结构参数。纵向伸缩振动模态固有频率和弯曲振动模态固有频率分别为33.07kHz和33.08kHz,频率差8Hz。根据优化设计结果,试制了原理样机。对样机的输出性能进行了实验研究。实验结果表明:当驱动频率为31.10 kHz,激励电压峰峰值为250V时,电机动子Vmax为240mm/s;驱动力Fmax为0.5N。     

Hybrid ultrasonic elastic force motors micromachined in silicon

Abstract

A micromotor for low power applications is being developed using silicon micromachining technologies and organometallic PZT films sol-gel deposition. The construction of a hybrid ultrasonic motor suitable for batch fabrication is proposed. A fabrication process for the stator resonator compatible with both bulk micromachining and 0.3 μm PZT films deposition on a SiNx/Ta/Pt substrate has been tested. Comparison of PZT actuated and previously fabricated ZnO actuated diaphragms are performed using laser interferometry. PZT samples show promising results for applications where a low voltage operation is a key benefit. Poled PZT films are obtained after process completion and influence of DC biases on the resonance frequencies are observed.     

十字叠层压电定子双面驱动的平面电机

旨在提升电机性能及推动电机微型化发展,提出了一种新型十字叠层压电定子双面驱动的平面电机,利用面外、面内弯振耦合形成的椭圆轨迹推动动子精密移动;首先探讨了质点椭圆运动轨迹的形成条件并论述了电机的运行机理;然后基于灵敏度分析确定结构参数优化变量并对定子进行优化,简并了工作模态频率且使其分别为43252Hz、43258Hz、43289Hz;最后利用Ansys对定子进行仿真计算,验证了定子设计的合理性和可行性,且仿真表明在激励电压为250V、频率43300Hz时,定子驱动足各向最大振动位移均达到了1.5μm,动子的运动速度达到了46mm/s。     

薄型超声电机两相及单相激励时的工作机理分析与实验研究

该文对环状超声电机定子中的行波的特征进行了分析，探讨了行波状态下电机定子端面质点椭圆运动轨迹与矩形板表面质点椭圆运动轨迹之间的差异。指出了圆环定子内圆周侧面中的部分区域具有对电机转子的推动作用。据此设计了一种可实现电机薄型化的新结构，并制作了样机，完成了电机定子性能测试和电机运行实验。运行实验结果表明，样机运转平稳，具有较大的输出转矩。实验中还发现，电机在只输入单相交变电压时仍能实现正常运转，分析了这一现象产生的机理。依据上述机理。可以设计一种新型驻波超声电机。