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)。     

基于物理模型开关磁阻电机定子模态和固有频率的研究

准确计算定子模态和固有频率是降低电机噪声和振动的基础。该文基于开关磁阻电机(SR电机)物理模型，利用3维有限元软件，全面研究了定子模态和固有频率，系统分析了绕组、端盖和安装对定子模态和固有频率的影响。研究表明，对小功率SR电机，2阶模态对噪声和振动的贡献最大。定子绕组对固有频率的影响非常严重，弹性模数远低于实心铜材，绕组不宜采用质量计入磁极或铁心的方式处理。端盖、底脚安装均导致定子固有频率明显升高。最后讨论了2维有限元模型与3维有限元模型计算结果的差异。计算结果与试验结果进行了比较验证。     

超声电机定子的简化复合梁模型裂纹扩展分析与实验

超声电机工作环境非常复杂,压电陶瓷极易发生断裂失效。为了分析研究电场、预压力及裂纹位置对压电陶瓷断裂失效的影响,将超声电机的定子沿周向简化为弹性复合梁模型,并在压电陶瓷上预制贯穿裂纹。首先用Ansys有限元软件对简化模型进行仿真,分析得到增大电场、预压力能增加裂纹尖端应力值,裂纹更加容易扩展。然后通过实验验证得到增大电场强度裂纹更加容易扩展。     

电机整机结构振动模态试验与参数识别研究

为提高电机运行的稳定性,降低振动噪声对其使用性能和寿命的影响,利用随机子空间模态识别方法对某型号电动机整机进行了模态分析。详细阐述了随机子空间模态识别法的数学原理,采用锤击法完成电机整机的模态测试,进一步识别出电机的四阶模态参数,固有频率、阻尼比及振型,根据分析结果找出电机的风扇罩和定子外壳中间位置为结构的薄弱环节,进而提出了相应的改进设计方法与减振措施。分析结果表明随机子空间法可用于电机整机结构的模态参数识别,分析结果为电机的结构动力修改与优化设计提供了参考数据     

基于ANSYS的径向驻波型超声波电机设计与分析

研究了一种采用径向振动的驻波型超声波电机。首先分析了电机的结构,然后利用有限元分析软件ANSYS建立定子有限元模型,基于该模型分析了压电陶瓷的结构尺寸对定子振动特性的影响,进而确定了定子的结构尺寸,并进一步分析了定子的瞬态响应特性。最后根据理论分析结果试制了样机,对样机进行了试验测试,测试结果表明,所设计的电机具有较好的输出性能。     

材料对超声电动机性能的影响及其选择

超声电动机是利用压电陶瓷的逆压电效应，将电能转换为机械能的一种压电换能器，因而压电材料对电动机的性能起着至关重要的作用。超声电动机是靠摩擦驱动，将定子的振动能转换为转子的旋转机械能。而压电片与定子、摩擦材料与转子的连接都要靠胶完成。因此，摩擦材料、胶粘剂也是影响电动机性能的重要材料。文中结合系列环形行波型超声电动机样机制作的成功经验，分析了这些材料对超声电动机性能的影响，并对这些材料的选择进行了较详细的讨论。     

三自由度圆柱定子超声波电机运动轨迹仿真

基于超声波电机中压电陶瓷的逆压电效应、定子振动、转子旋转的原理,考虑弯曲振动引起的纵向振动,应用几何原理和振动理论,对圆柱定子激励频率相同、激励电压和激励的初相位各不相同的电信号引起的各单相振动进行合成,推导了三自由度圆柱定子超声波电机在三相同时激励时定子表面质点的轨迹运动方程,并仿真出同频率、不同相位差、不同电压激励时的运动轨迹,分析了这三个因素对定子表面质点轨迹的影响,为三自由度超声波电机的轨迹控制和姿态控制奠定了理论基础。     

小型柱体超声波电动机的设计及有限元分析

简要总结了小型柱体超声波电动机的研究与发展;介绍了自行设计的一种新型自由-轴支小型柱体超声波电动机的结构、运行机理和振型特点,建立了定子有限元分析模型,并利用该模型研究了定子振型、定子开槽、陶瓷片位置及模态简并等问题,给出了仿真计算结果。     

大型核能发电机定子端部动力特性研究

定子端部振动特性是核能发电机设计需关注的重要方面之一。本文依托国内某大型核能汽轮发电机定子端部动力特性研究项目,形成了一整套核能发电机定子端部动力特性仿真计算方法。首先对该核能汽轮发电机定子端部部件的力学参数进行试验测定,其次对复杂的部件关系及边界条件进行简化处理,然后在此基础上建立有限元模型并进行仿真计算,同时对该机进行了真机现场模态测试验证。结果表明:采用该方法计算的定子端部模态仿真结果与现场测试结果的相对误差均小于6%。该方法可以应用于类似的核电机组中。     

Impact of stator windings and end-bells on resonant frequencies and mode shapes of switched reluctance motors

One of the main drawbacks of switched reluctance motors (SRMs) is vibration and acoustic noise, which limits their application. An accurate predication of the modal vibration frequencies of the SRM stator is essential in order to design a low-vibration motor and operate it quietly. Electronic techniques for noise reduction also depend on knowledge of the resonant frequencies, which depend on the mechanical structure surrounding the laminations. This paper examines the effects of the stator windings and end-bells on stator modal vibration frequencies. The error in the calculation of the resonant frequencies can be up to 20% if the influence of end-bells is neglected. The numerical computations of the stator mode shapes and resonant frequencies are validated with experimental results.     

发电机定子铁心模态振动现场试验方法分析研究

为了防止汽轮发电机组在运行过程中定子铁心椭圆形模态振动频率与双倍的发电机的径向电磁力频率产生共振,必须对汽轮发电机定子铁心进行模态振动试验。结合若干典型汽轮发电机实例,介绍了目前对于电厂停机检修机组进行的发电机定子铁心模态试验的方法及特点,提出了现场试验过程中的注意点。指出发电机铁心模态振动现场测试是目前发电机安全监测工作中很好的技术补充测试手段。     

行波接触型超声波电机定子振动有限元分析

行波接触型超声波电机是一种利用压电晶体的逆压电效应获得驱动力矩的新原理微特电机,它与由电磁作用获得转矩的电磁型电机的工作原理截然不同。该文在考虑定子环沿径向厚度变化及内外边界约束条件的基础上,建立了带有齿的行波接触型超声波电机定子模型,利用有限元法进行了定子模态和强迫振动响应分析,研究了定子直径和齿高对定子振动的影响。通过计算结果与实验的比较,证明有限元方法对于由复合材料构成、具有齿的结果超声波电机定子振动的分析是一种行之有的方法。     

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.     

Young's modulus for laminated machine structures with particular reference to switched reluctance motor vibrations

The switched reluctance motor (SRM) has a disadvantage of higher acoustic noise, caused by stator vibrations. Techniques for noise reduction require knowledge of the modal frequencies, which depend on mechanical shapes and dimensions as well as material properties, for example, Young's modulus, Poisson's ratio, mass density, etc. It is found that the generally accepted value of Young's modulus is not valid for a machine with laminations and no frame. This paper introduces a simple and nondestructive method for the measurement of Young's modulus; it is then used in a finite-element (FE) program to determine the resonant frequencies of SRM stator vibration. The effects of mass density and Poisson's ratios are also discussed. The FE results are validated by vibration tests, which show good accuracy.     

大中型异步电动机定子模态的仿真分析

为了降低电动机的电磁噪声有必要分析和计算定子振动模态.本文利用ANSYS有限元软件研究大中型异步电动机定子的模态振型和固有频率,重点讨论了成型绕组、径向通风道、肋、压圈和机座对定子铁心振动的影响.研究表明,成型绕组对定子模态有重要的影响,不考虑绕组固有频率会明显减小;径向通风道、肋和压圈对高阶模态的固有频率影响较大;机...     

基于ANSYS的纯压电振子瞬态特性分析

基于ANSYS的电-结构耦合场,对矩形纯压电振子进行模态分析、谐响应分析和瞬态响应分析。通过模态分析和谐响应分析得到面内的一阶纵向振动和二阶弯曲振动的频率和振型以及两振型在振动方向上正交的理想频率;通过瞬态响应分析,得到在理想频率下各动力学参数随时间的变化曲线以及椭圆运动轨迹,得出振子从激振开始到振动达到平衡这一过程所经的时间和应力变化情况。该结果对超声波电动机性能和工作效率的提高有实际意义。     

Theoretical Study on the Tip-Deflection of Multilayer Piezoelectric Cantilever Structures

Tip-deflection is one of the most important characters of the piezoelectric cantilever vibration. In this paper, a new piezoelectric model of multilayer piezoelectric cantilever is obtained, and the analytic expressions for the curvature, displacement and tip-deflection of the multilayer structure are derived. On the base of this solution, the curvature and tip-deflection of five different elementary structures are considered. Compared with others' model, the analytic expressions for the curvature, displacement and tip-deflection are also suitable for more complex structures with more layers based on these elementary structures. Above-mentioned methods and conclusions can be used for optimized design of PZT cantilever structure.     

径向换能型超声波电机定子振动模型

提出了一种弹性叶片式径向换能型超声波电机,分析了电机的结构与工作原理,建立了定子径向自由振动和受迫振动的解析模型,同时,为了进行对比验证,建立了定子振动的有限元模型进行模态分析和谐响应分析。分别采用两种模型计算得到了定子一阶径向自由振动的频率和在外加电压激励下受迫振动的径向振幅,两种模型的理论计算结果接近。采用阻抗特性分析仪测量了定子一阶径向自由振动的频率,并采用激光测振仪测量了定子外侧表面质点在外加电压作用下径向振动的振幅,将实验测试结果与理论计算结果进行对比,二者基本吻合。实验测试结果验证了所建立的定子振动的解析模型和有限元模型的有效性。最后,制作了原理性样机,验证了所提出的径向换能型超声波电机动作原理的可行性。     

行波型杆式超声电机模态频率调节

加工好的兰杰文振子型杆式超声电机其两相弯振模态频率往往会不一致,这将会影响电机的效率、输出性能以及运行的稳定性。针对该问题,提出一种在电机定子装配好的状态下对其模态频率进行调节的方法。通过定子的动力学方程和K.A.Stetson结构摄动理论,求解出修改后定子的模态频率,找到了调节两相模态频率的方法。对定子进行有限元分析,找到了定子修改的合适位置,并分析了在这些位置上进行定子修改对两相模态频率的影响。制作了定子样机,对修改前后的定子模态频率进行了测试,两相弯振模态频率之差由原来的170Hz调整到70Hz,达到了工程上的要求。从试验上验证了该文的理论和有限元分析结果。     

Circuit analog of a beam and its application to multimodal vibration damping,using piezoelectric transducers

In this paper we solve the synthesis problem of finding a completely passive electric circuit analog to a vibrating beam. The synthesis problem is of interest when one wants to suppress beam mechanical vibrations by using distributed piezoelectric transduction. Indeed, an effective electromechanical energy transduction is guaranteed when the electric circuit (interconnecting the transducers' terminals) is resonant at all mechanical resonance frequencies and is able to mimic all the mechanical modal shapes. The designed electric circuit behaves as an electric controller of mechanical vibrations (i.e. an electric vibration damper) once suitably endowed with a set of resistors. Because of its completely passive nature, it does not require external power units and stands as an economical means of controlling vibrations. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.