串联弯曲臂压电微电机驱动机理分析及实验研究

把两片压电双晶片串联在一起,构成串联弯曲臂。一端固定,另一端自由时,在相位差为π/2的一定频率方波信号的驱动下,弯曲臂的自由端将形成类似椭圆的运动轨迹。以串联弯曲臂为驱动元件,可用来驱动端面与其相接触的转子转动,构成串联弯曲臂式压电微电机。对串联弯曲臂的驱动机理进行了分析,在新的微小尺寸驱动机理研究的椭圆运动的基础上,研制了直径为5 mm的串联弯曲臂压电微电机样机,对样机的性能参数进行了测试,转速可达325 r/min,转矩可以达到36.5μΝ·m。     

串联臂压电微电机驱动机理的研究

二级串联压电双晶片（串联臂）一端固定时，在特定的电信号控制下，自由端将沿椭圆轨迹运动。以串联臂为驱动元件，可用来驱动端面与其相接触的转子转动，构成串联臂压电微电机。研究了串联弯曲臂压电微电机的工作原理，设想了串联臂压电微电机的结构。     

串联臂压电微电机及驱动电源的研究

二级串联压电双晶片（串联臂）一端固定时,在相位差为π／2的偏置方波信号驱动下,自由端将沿椭圆轨迹运动。以串联臂为驱动元件,可用来驱动端面与其相接触的转子转动,构成串联臂压电微电机,对单路方波信号分频,可产生双路相位差为π／2的方波信号,对信号进行放大,构成相位差为π／2的偏置方波驱动信号。     

纵弯式压电微电机研究

分析了纵弯式压电微电机的驱动机理,提出了电机驱动臂的设计方法。研制了直径为5nm的纵弯式压电微电机并进行了实验研究。     

双腔体压电泵的设计

由于自吸性差、对气泡敏感等原因,单腔体压电泵在应用中受到限制,而多腔体结构是提高压电泵性能的有效途径.通过分析腔体容积与压力变化过程得出:双腔体串联压电泵只能采用串联驱动方式而不能采用并联驱动方式,双腔体并联压电泵只能采用并联驱动方式而不能采用串联驱动方式.制作双腔串联、并联压电泵样机并进行测试可以得出:串联压电泵在驱动电压200 V,频率152 Hz时,输出流量达到最大为1 150 ml/min;并联泵在压电驱动电压140 V,频率220 Hz时,输出流量达到最大为640 ml/min;因此多腔泵采用腔体串联结构能提高压电泵的工作效率,提高泵的工作性能.     

阶梯圆柱形压电振子直线型超声电机

针对现有直线型超声电机推力较小、效率不高的普遍现状,提出利用阶梯圆柱形压电振子驱动的直线型超声电机.其压电振子包含两组压电陶瓷单元,经逆压电效应激发阶梯形圆柱压电振子在两个正交方向上分别产生5阶弯曲振动,使振子两个圆盘形结构的表面质点形成椭圆运动,经摩擦作用于固定导轨,使振子组件沿导轨产生直线运动,进而构成直线型超声电机.采用有限元仿真方法确定结构尺寸,制作原理样机并进行了相关试验.原理样机获得如下性能:最大输出力为16.2 N;最大速度为180 mm/s;最大效率为38％;响应时间为24 ms;步进分辨率为2μm.     

重力-弹力耦合驱动压电微电机研究

分析了重力-弹力耦合驱动压电微电机的机理并给出了其运动学模型。制作了转子直径为0.433mm的压电微电机并实验验证了运动学模型。     

摩擦驱动型压电叠堆直线电机的工作机理

以一种典型的摩擦驱动型压电叠堆直线电机结构为例,对摩擦驱动型压电叠堆直线电机的振动摩擦驱动机理进行研究.结合电机系统的振动脱离模型,分析了电机定子与动子脱离的力学条件,进而分析电机结构参数和工作参数对椭圆运动和振动脱离性能的影响.对原理样机进行了试验研究,结果表明,压电叠堆的激励电压、激励频率和电机的预压力对电机的振动脱离性能有显著影响.     

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。     

半电极含金属芯压电纤维的驱动性能

建立了悬臂梁结构半电极含金属芯压电纤维新型压电弯曲驱动器的理论模型.根据第一类压电方程,推导出自由端位移、夹持力和弯曲共振频率的解析表达式,分析了金属芯性能和半径对这3个参数的影响,并把理论计算结果和有限元分析结果进行了比较.实验结果表明,悬臂梁结构半电极含金属芯压电纤维弯曲驱动器的自由端位移可达589 μm,夹持力可达427 μN,一阶弯曲共振频率为28 Hz,有限元分析结果和理论值基本吻合,说明这种驱动器有较大的端部位移、较小的夹持力和较低的弯曲共振频率.     

压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器研究

研制了一种以自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片为驱动单元的新型惯性冲击式旋转精密驱动器。对自由端带有集中质量的悬臂式压电双晶片的动态特性进行了有限元法和实验分析,提出了压电双晶片型惯性冲击式精密驱动器特定的定频调压驱动方法。对压电双晶片型惯性冲击式旋转精密驱动器进行了性能测试,驱动器旋转行程为180°、旋转步长分辨力为1μrad、最大转速为0.2 rad/min、最大扭矩为0.02 Nm。该驱动器结构简单,特别是成本为传统惯性冲击式驱动器的1/100左右。     

应用惯性冲击原理的非对称夹持式压电旋转驱动器的设计

针对目前压电驱动器主要使用非对称锯齿波电信号驱动压电晶体实现驱动的现状,采用对称电压信号驱动压电振子,设计了非对称夹持式压电旋转驱动器。用对称波电信号作用在压电双晶片振子上,产生正反两个方向大小不同的周期性惯性冲击力,驱动机构实现旋转位移。建立了压电旋转驱动器的动力学模型,分析了非对称夹持旋转驱动器实现大小不同惯性冲击力的原理以及压电旋转驱动器的运动过程。组成了压电旋转驱动器的测试系统,在不同电压幅值、频率的方波激励下,对压电旋转驱动器的平均步长进行了测试。结果表明:非对称夹持式压电旋转驱动器能实现较稳定的单向转动,最大行程为360°,最大承载能力超过300g,步长分辨率为5μrad,最大转动速度为4000μrad/s;驱动器样机在20V、2Hz的方波激励下,平均运动步长为12μrad,转动速度为24μrad/s。     

含多个压电元件智能悬臂梁的横向振动特性

本文以含多个压电元件的悬臂梁为例,基于Bernoulli-Euler梁的阶梯折算法,结合压电智能悬臂梁段的等效弹性模量理论,计算了多个压电元件的悬臂梁的固有频率和振型,并与有限元和等截面梁的计算结果进行比较。计算分析表明,压电材料尺寸和位置变化对智能悬臂梁结构的横向振动特性具有显著的影响,分析结论对高速飞行器结构设计和主动振动控制中压电元件的优化布置有实用价值。     

压电电机的设计与实验研究

基于对压电陶瓷材料的特性研究,利用压电陶瓷的逆压电效应,压电陶瓷双晶片通过组合设计得到压电驱动元件,分析了在电激励条件下,压电陶瓷双晶片悬臂端振动通过摩擦力和惯性力驱动转子转动并输出转距的原理,研制了一种基于摩擦式的压电电机.研究了压电电机输出转速、转矩特性与激励电压频率之间的关系,试验表明:压电电机具有良好的输出特性,响应快、发热很少、转动平稳且可实现双向回转,结构简单,容易实现闭环控制.此设计为进一步研究实用的小型化、低成本、高效率的压电电机提供了一种新的设计方法.     

Impact drive rotary precision actuator with piezoelectric bimorphs

An impact drive rotary precision actuator with end-loaded piezoelectric cantilever bimorphs is proposed. According to finite element analysis and experiments of the dynamic characteristics of end-loaded piezoelectric cantilever bimorphs, a specific fixed-frequency and adjustable-amplitude is confirmed to control the actuator. The results show that an actuator excited by fixed-frequency and the adjustable-amplitude ramp voltage waveform works with a large travel range (180°), high resolution (1 μrad), speed (0.2 rad/min) and heavy-load ability (0.02 Nm). With advantages of high-precision positioning ability, simple structure and only one percent the cost of traditional impact drive mechanisms, the actuator is expected to be widely used in precision industries. __________ Translated from Optics and Precision Engineering, 2005, 13(3): 298–304 [译自: 光学精密工程]     

多频响应的压电振动能量采集器的性能分析与测试

为了提升压电悬臂梁采集振动能量的能力,研究了一种具有多频振动响应的振动能量采集器。在压电悬臂梁与振动激励源之间增加一个附加梁,压电悬臂梁和附加梁的末端分别安装一个质量块,压电悬臂梁和附加梁垂直连接。附加梁的末端质量被设计为远大于压电梁的末端质量,而压电梁的一阶谐振频率在附加梁的前两阶谐振频率之间。采用该设计,压电悬臂梁的振动响应是多个谐振频带的叠加。通过建立机电解析模型,描述了所提出的振动能量采集器的振动响应和发电特性,同时制作了一个振动能量采集器样机进行试验,结果表明,与传统的悬臂梁振动能量采集器相比,所提出的振动能量采集器可以在更宽的频带范围内采集更多的振动能量。     

Dynamic spring constants for higher flexural modes of cantilever plates with applications to atomic force microscopy

In atomic force microscopy (AFM) a sharp tip fixed close to the free end of a cantilever beam interacts with a surface. The interaction can be described by a point-mass model of an equivalent oscillator with a single spring located at the position of the tip. However, other spring constants have to be used to describe the oscillation behavior correctly if forces are acting on the cantilever over an extended lateral range. A point-mass model is then no longer valid. In the present study we derive expressions for the spring constants of cantilevers that can interact with any part of their plan view area along the beam and for all flexural modes. The equations describe the oscillation behavior in the corresponding mass model and are based on the eigenfrequencies and modal shapes of the free cantilever. The results are of high practical relevance, for example if an AFM is operated in a higher flexural mode, if the tip is not located at the free end of the cantilever beam, or if the external conservative forces affecting cantilever movement are not restricted to a single point. The limitations of the approach are discussed.     

Large deflection of constant curvature cantilever beam under follower load

This paper describes a method to analyze for the large deflections of curved prismatic cantilever beams with uniform curvature subjected to a follower load at the tip. The large deflection, the deflection dependent follower load and the initial curved geometry are the important features of the beam considered in this work. Shear force formulation proposed by Lee [Large deflections of cantilever beams of non-linear elastic material under a combined loading. Int J Non-Linear Mech 2002;37(3)] is used for deriving the governing equations. Using this approach, the resulting two point boundary value problem (TPBVP) can be reduced to an initial value problem (IVP). Fourth order Runge-Kutta method along with one parameter reverse shooting method is applied to the numerical solution to the problem. A novel approach presented in this paper of integrating from the free end to the fixed end of the cantilever beam simply replaces the two parameter shooting with a single parameter shooting yielding several advantages. This solution technique is demonstrated for various types of follower tip loads on curved and straight cantilever beams and is validated with existing solutions in the literature.     

悬臂梁式压电发电结构理论模型及其仿真研究

为提高压电悬臂梁发电能力以及将压电发电技术应用到日常生活中,开展了压电振动理论分析,建立了压电装置的发电能力与压电材料的厚度比、长度以及悬臂梁的材料、长度等之间的关系,提出了数学建模的分析方法,在理论上对压电悬臂梁的发电能力进行了评价,并进行了Matlab仿真实验.其结果表明:悬臂梁压电发电模型中,压电材料存在最佳厚度...