环形行波超声波电机动态接触摩擦特性建模与分析

超声波电机的接触摩擦模型对电机结构设计和性能优化具有重要作用。该文考虑定子齿结构，基于Dahl摩擦这一动态摩擦定律，分析了定子振动的瞬态响应过程、定子齿质点与转子的法向接触和切向摩擦及转子运动方程，建立了环形行波超声波电机定转子动态接触摩擦解析模型。基于所建立的模型，研究了定转子间的接触状态和法向接触应力，以及相对速度和切向摩擦应力，并分析了电机的输出性能。最后，测量了样机的输出特性，将测量值与所建立模型的计算值进行比较，二者基本吻合。此外，也对比了忽略定子齿结构并采用库仑摩擦定律的接触摩擦模型的计算值，结果表明，所建立模型的计算值能更好地与实验值相吻合，说明所建立的模型能够更准确地描述定转子接触摩擦传动特性。     

环形行波超声波电机面接触分析及转子结构优化设计

考虑转子的柔性变形,建立了环形行波超声波电机定转子三维面接触模型,分析了定子的振动、定转子的法向接触以及切向摩擦,研究了定转子间的面接触特性及电机的转矩-转速特性。结果显示：由于转子的柔性变形,定转子间的接触区域形状是不规则的,接触压力沿径向分布是不均匀的。通过将样机转矩-转速特性的理论计算值与试验测量值进行对比,验证了三维面接触模型。在此基础上,基于三维面接触模型,分析柔性转子结构参数变化对定转子最大接触压力及电机转矩-转速特性的影响,根据分析结果对转子结构进行优化,实现了定转子间的最大接触压力明显下降,并使电机的转矩-转速特性得以明显提升。     

径向驻波型超声波电机接触摩擦特性建模与分析

超声波电机的接触摩擦模型对电机输出性能优化、控制电路设计具有重要的作用。现有对超声波电机接触摩擦模型的研究,大多基于库伦摩擦模型,其计算结果的精度有待进一步提高。该文基于Dahl摩擦模型对一种径向驻波型超声波电机的接触摩擦特性进行建模和分析。首先介绍电机的结构,然后分析定子的振动、定转子间的接触摩擦以及转子的旋转运动,考虑定子振动的瞬态响应过程,基于Dahl摩擦模型建立径向驻波型超声波电机定转子接触摩擦传动模型。利用所建立的模型,研究接触界面的摩擦力、不同负载下电机的速度响应情况以及电机的转矩-转速特性。最后测试样机的转矩-转速特性,将理论计算值与实验值进行对比,二者基本吻合,证明所建立模型的有效性。此外,该文也对基于库伦摩擦模型的计算值进行对比分析,结果表明:相比于库伦摩擦模型的计算值,基于Dahl摩擦模型的计算值具有更高的精度。     

环形驻波超声波电机定转子接触摩擦模型

超声波电机的接触摩擦模型对电机结构设计和性能优化具有重要作用。针对环形驻波超声波电机定转子接触摩擦问题,采用库伦摩擦+黏性摩擦定律建立了定转子接触摩擦模型。采用所建立的模型分析了一个振动周期内接触界面的摩擦力变化情况,也研究了定子不同径向振幅以及结构参数对电机输出性能的影响。最后,测量了电机的转矩 转速特性,并将测量值与计算值进行对比,二者吻合度较好。另外,对比了基于库伦摩擦定律所建立模型的转矩 转速特性计算值,对比结果表明,与基于库伦摩擦定律所建立的模型相比,基于库伦摩擦+黏性摩擦定律所建立的模型能更准确地描述定转子接触界面的摩擦传动特性。     

行波型旋转超声电机定转子设计及有限元分析

研究了行波型旋转超声电机定转子接触动力传递机理,完成了超声电机关键部件定子、锥柔性转子设计,建立了考虑定转子径向滑移的三维接触模型以及有限元模型,分析了超声电机定子表面质点幅频特性、谐振速度以及径向位移量与齿高之间的关系。通过比较锥柔性、柔性转子与定子接触面质点径向相对位移,阐释了锥柔性转子通过自身弹性变形能更好地贴合在定子齿表面,减少定转子间相对滑移量并能提高超声电机的输出效率。最后通过合成一个行波周期内定子表面质点的位移轨迹,验证了定子驱动转子旋转运动的方式为椭圆运动。仿真结果对行波型旋转超声电机的设计具有指导意义。     

摩擦层在定子上的行波超声波电机接触模型

本文对粘弹性摩擦层在定子上的环形行波超声波电机定转子接触模型进行了研究。首先,同时考虑了超声波电机摩擦层的法向和切向变形及摩擦材料的非线性,研究了摩擦接触区粘滑分布情况,进而计算电机的机械特性,并对摩擦层分别在定子和转子上的电机机械特性进行比较,理论分析表明摩擦层在定子上的电机机械性能要优于摩擦层在转子上的电机。最后,对理论分析的结果进行实验验证,理论分析结果与实验结果基本吻合,验证了接触模型的正确性。     

中空环形行波超声波电动机赫兹接触模型

对中空环形行波超声波电动机定转子的赫兹接触模型进行了研究。首先,基于赫兹接触理论,分析了在法向预压力作用下定转子间的周向接触长度以及接触区内的赫兹接触压力的分布情况;接着,分析定子接触面质点和转子间的相对运动,结合接触压力分布情况,得到转子的输出转矩;最后,比较了不同运行状况下电机的输出特性,并将电机正常工作时的转矩-转速特性的理论分析结果与实验测试结果进行比较,二者基本吻合,验证了所提出的理论模型。     

双转子柱体超声波电机输出转矩分析

对双转子电机定子表面质点运动轨迹进行了仿真,直观地描述了电机运行机理。应用Timoshenko梁振动理论计算了运动轨迹的椭圆倾角,根据倾角和双压电晶片的位移描述方程,计算出定子的纵向振幅,再结合赫兹接触理论,得出一定预压力下定转子接触区域宽度,进而得出双转子柱体超声波电机的转矩模型。计算出了相同尺寸单双转子电机的倾角和转矩,对比得到双转子电机的转矩比单转子的大两倍,证明了双转子结构在转矩性能上的优点,为双转子柱体超声波电机的结构优化设计提供了理论基础。     

一种双转子模态转换型超声波电动机的设计

提出了一种扇形齿一凹槽结构的双转子模态转换型超声波电动机,它依靠扇形齿一凹槽结构将压电陶瓷振子的纵振动转换为齿的弯曲振动来驱动转子旋转.对电机有限元模型进行了仿真分析,包括调节驱动频率、计算齿振幅转换比、分析装配误差影响、计算定子表面质点轨迹.并通过建立定转子接触的简化模型,对电机在谐振状态下的输出力矩进行计算.最后制作了尺寸为ф8mm×10 mm样机,经实验表明,电机连续运转性能良好,在驱动电压为135 V时,转速可达475 r/min.     

斜槽式纵扭模态转换型超声电机在不同摩擦副下的负载特性研究

研究斜槽式纵扭模态转换型超声电机在各种类型摩擦副下的负载特性。实验中定/转子接触面分别采用多种材料,形成硬/软、软/硬以及硬/硬搭配的各种摩擦副。当采用软/硬摩擦副时,电机转速慢、转矩小、效率低,而采用硬/软摩擦副时,电机负载特性明显提高。研究定子摩擦面开齿对电机的影响,实验显示定子摩擦面开齿能显著改善定转子摩擦面磨损情况,使电机运行平稳,电机负载特性较不开齿有所提高。实际研制的直径为15mm的样机,堵转力矩可达0.32N·m,空载转速最高达1325r/min,效率达到了32.3%。     

球形行波型超声波电机的驱动数学模型

球形行波型超声波电机可以实现球面轨迹的运动,但是目前其设计仍处于经验阶段。该文从球形行波型超声波电机的原理与基本结构出发,利用坐标变换关系得到转子运动时定、转子接触面上接触力的分布情况,分析了行波定子与球转子接触点的摩擦驱动力和摩擦阻力。根据运动稳定时球转子的力和力矩平衡及行波定子的轴向力平衡关系,得到球形行波型超声波电机的驱动数学模型。通过仿真分析了结构参数和行波定子特性的影响,初步验证了上述模型。     

A novel model of ultrasonic motors with effect of radial friction in contact mechanism

This paper is concerned with a development of the contact model of traveling wave type rotary piezoelectric ultrasonic motor, which takes into account a new three-dimensional operation mechanism between the stator and rotor. First the vibration characteristics and harmonic response of the stator are analyzed based on the mathematical model. With the derivation of the kinematical equations representing the motion of the stator surface points, the three-dimensional driving mechanism is investigated at the contact interface between the stator and rotor. We found that the distributed contact forces have not only the axial and circumferential components but also the radial component at the interface. The traditional contact model should be improved by the consideration of radial friction at the interface. So we defined driving angle α, which describes how the radial friction distributes at the interface. Furthermore it is shown that the radial friction can lead to considerable energy losses. A set simulation of motor performances based on the proposed contact mechanism is found in good agreement with experimental results. We also tried to explain how the applied normal preload force on rotor affect the natural frequency of stator by the contact interface, as is shown in our experiments.     

油摩损耗对电潜泵用永磁电机流固耦合传热计算的影响

电潜泵用永磁电机工作在高温高压的特殊环境下,采用润滑油作为潜油电机的润滑和冷却物质,润滑油随着转子在气隙中运动。以往研究只考虑了转子油摩损耗,然而相比于空冷、水冷等冷却方式,油冷时,润滑油黏度较大的特性是不可忽略的因素。且电潜泵用电机转速较高,润滑油对定子侧产生的油摩损耗是否可以忽略及其对电机温升的影响需进一步探究。因此,以一台15 kW潜油永磁电机为例,推导出了定子油摩损耗近似解析式,提出了定子油摩损耗与转子油摩损耗的关系规律。基于计算流体力学和流固耦合传热理论,研究了气隙处流体流动特性,证明了定子油摩损耗近似解析式的准确性,得出了电机各部件温升分布,并分析了定子油摩损耗对电机的温升影响。     

轮毂电机振动噪声抑制措施

外转子永磁同步电机作为轮毂电机较多地应用在电动汽车上,但以轮毂电机为目标的振动噪声研究却较少。以一台额定功率为10 kW、额定转速为500 r/min的轮毂电机为例,通过构建轮毂电机的2D有限元模型,对电机的径向电磁力密度和振动噪声特性进行有限元仿真计算。从极弧系数和定子齿上开辅助槽两个方面对外转子轮毂电机的振动噪声特性进行研究。仿真结果表明：轮毂电机极弧系数为0.72左右时,振动噪声特性较好;在定子齿顶开设不对称的双辅助槽显著提升了电机的振动噪声特性。     

液体媒质超声波电机特性与饱和流速的研究

与一般超声波电机依靠定转子之间的摩擦来传递能量不同，非接触型超声波电机的定转子不直接接触，克服了接触型超声波电机的易磨损、不能长时间工作等缺点，是超声波电机领域的一个新的研究方向。该文介绍了一种基于液体媒质的非接触型超声波电机，其转子浸于液体之中，不与定子直接接触，定子振动所产生的能量，通过液体传递给转子，从而驱动电机旋转。文章给出了电机的结构及工作原理，并且简要介绍了电机驱动电路的实现。该文实验验证了电机的基本运行特性，测定了电机转速、驱动频率和驱动电压之间的关系。实验中发现，在一定范围内，电机中液体旋转速度随定子振动速度的增大而增大，而当电机定子圆环振动速度超过某一特定值后，电机中液体的转速出现了饱和流速现象。文章中对液体饱和流速问题进行了理论分析，证明了液体中声场的非线性是导致饱和流速的主要因素，并通过实验测出了饱和流速与液面高度、液体浓度和非线性参数之间的关系，实验结果与理论分析结果一致。     

卧板式直线超声电机的特性分析模型

直线超声电机摩擦接触特性对电机性能的影响很大,直线超声电机的摩擦驱动机理往往不同于旋转超声电机,无法应用旋转超声电机的接触模型对其进行分析。针对一款卧板式直线超声电机,基于弹性接触理论建立了其摩擦接触分析及特性预估模型。该模型考虑了施加预压力后定子工作状态的改变,以及定、动子相对滑动速度差对摩擦力的影响。利用所建立的模型,对卧板式直线超声电机的机械输出特性进行了仿真计算,并分析了定子振动特性、预压力、接触界面摩擦特性、施加预压力弹簧刚度特性、驱动频率等参数对电机机械特性的影响。制作了样机,并对样机的机械性能进行了测试。试验结果表明,所建立的模型对直线超声电机特性的估算是有效的,可以为直线超声电机的设计和特性分析提供参考。     

异步起动永磁同步电动机电磁振动特性及抑制措施的研究

现有关于永磁电机电磁振动的研究主要围绕单边开槽永磁电机展开,而异步起动永磁同步电动机的定转子双边开槽、永磁体内置于转子铁心内部,导致其电磁振动特性及抑制措施的研究难度大幅增加。本文针对异步起动永磁同步电动机的负载运行,提出了一种新的电磁力解析分析方法,建立了不同阶数、频率的电磁力与电机定转子齿槽参数之间的明晰关系。利用机械阻抗法计算了电机主要低阶电磁力的电磁振动响应,并得到了对电机电磁振动起主要作用的低阶电磁力的频率。进一步研究了通过改变定子齿宽抑制上述主要电磁力,并得到了相应的定子齿宽确定方法,利用有限元法验证了上述抑制措施的有效性。     

纵扭复合型超声波电机的力传递模型

复合型超声波电机是各种超声波电机中最典型的低速大力矩电机,其定转子接触方式是断续面接触,这与行波型电机连续的若干点接触不同,也是实现大力矩的根本原因,因此分析其定转子的力传递模型很重要。该文先简单叙述了以往采用等效电路描述具有的问题,其次,通过电机轴向冲量守恒建立了定转子接触角与电机预压力和摩擦材料物理参数的关系,随后利用振动周期内周向电机负载和驱动力所作的功相同的原理,给出电机负载与定子纵 扭振动和转子参数的关系,并据此确定电机转子参数和预压力,研制的复合型超声波电机(直径80mm)的堵转力矩为13.2 N穖的大力矩,空转转速为12.5 r/min。初步形成了电机转子设计的理论基础。