微小型驻波超声电机定子振动特性的仿真分析

针对直径10 mm的两种驻波型超声电机定子的振动特性进行有限元仿真分析。利用ANSYS有限元软件建立定子的有限元模型,进行了振动模态及谐响应的仿真分析,获得定子的主要振动模态、模态频率及振幅。探讨了2种压电陶瓷及定子长度对其谐振频率和振幅的影响。研究结果表明,驻波型超声电机定子上斜槽或斜齿结构可实现模态转换,是实现电机驱动的关键。在分析的两种驻波型超声电机的8个定子中,采用PZT4压电陶瓷材料、长度16 mm的斜槽式超声电机定子的振幅值最大。     

超声电机环形定子驻波的扭曲和旋转

超声电机环形定子上的驻波变形和振型旋转的现象在实验中被观察到,行波和类行波出现在单相激励情况下。该文讨论了单相激励行波和类行波的成因,当环形定子具有一个非轴对称结构时,同形退化模态不再存在,代之以两个近频模态,由于结构阻尼对这两个模态贡献不同,使得响应出现相位差,行波出现。类行波实质上不是行波而是驻波的扭曲,只是看起来像行波。     

一种新型驻波直线超声电机的研究

所叙述的一种新型驻波直线超声电机,它利用单相信号激发出动子的一阶弯曲模态,完全不同于一般直线型超声电机利用纵－弯或弯－弯复合模态。文中详细研究了适用于自振荡电路来驱动的该电机的原理、齿的运动轨迹,用有限元分析了该电机动子的工作模态,并在实验上验证了上述理论的正确性。     

单相短柱型直线超声电机的设计

提出了一种单相驱动的立式短柱型压电直线超声电机,论述了该电机的动作原理和设计过程。该电机利用纵向振动和横向振动的耦合模态工作。为获得同一驱动频率的一致的双向运动特性,该电机采用对称结构,利用压电陶瓷在短路和开路时弹性模量存在差异的特性,用单相驱动信号实现了纵向和弯曲耦合模态的有效激发。以增大电机弯曲振动模态前后振幅比为目标,利用三自由度集中质量的简化模型,优化了定子的结构。制作了电机的原理样机,对其进行了输出性能测试。实验结果表明,电机的输出性能良好。电机定子长22mm,自重3.3g,0.3N输出推力下最大速度达140mm/s,5N预压力下最大输出推力近1N。     

单相短柱型直线超声电机的设计

提出了一种单相驱动的立式短柱型压电直线超声电机,论述了该电机的动作原理和设计过程。该电机利用纵向振动和横向振动的耦合模态工作。为获得同一驱动频率的一致的双向运动特性,该电机采用对称结构,利用压电陶瓷在短路和开路时弹性模量存在差异的特性,用单相驱动信号实现了纵向和弯曲耦合模态的有效激发。以增大电机弯曲振动模态前后振幅比为目标,利用三自由度集中质量的简化模型,优化了定子的结构。制作了电机的原理样机,对其进行了输出性能测试。实验结果表明,电机的输出性能良好。电机定子长22 mm,自重3.3 g,0.3 N输出推力下最大速度达140 mm/s,5 N预压力下最大输出推力近1 N。     

四音叉定子驱动的压电旋转电机动力学特性

提出基于四音叉式定子驱动的旋转超声电机,选定定子的一阶面外弯振与二阶面内弯振为工作模态,复合形成旋转运动。阐明了电机驱动机理,基于频率一致性优化得到音叉杆尺寸为24 mm×4.2 mm×5 mm,公共部分尺寸为12 mm×12 mm×3 mm。建立电机的有限元(FEM)模型,对电机进行谐响应分析,排除激励时产生干扰模态。采用激励信号幅值为250 V、频率为28 000 Hz对电机进行瞬态分析,得到动足的x、y、z向振幅分别为1.4μm、0.8μm和1.2μm。对电机进行运动特性分析,验证了该旋转电机具有良好的调频、调压、调相特性。     

复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机研究

为了丰富旋转超声电机的型式,该文提出了一种复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机.选取定子的面内、外弯振作为电机的工作模态,阐述了定子驱动机理.建立了定子有限元(FEM)模型,对电机进行模态分析,基于两相工作模态频率一致性的目标对定子进行尺寸优化,最终确定定子的主要尺寸L、H、K、J、I、D分别为18.2 mm、3.2 ...     

超声电机定子的驱动方式及其振动响应特性

通过对行波型超声电机定子电学特性的描述,分析了其电学特点以及对功率驱动的要求,探讨了其在不同工作频带和驱动方式下所具有的特点。在实验研究中,设计了相关实验方案,研究了定子在不同驱动方式下所具有的振动响应、电学性能以及相对的振动效果。最后,根据理论分析和研究结果,提出了超声电机驱动方式选择的最优原则。     

解决超声电机定子模态混叠的有效方法

针对超声电机定子在设计过程中的模态混叠现象,从定子的灵敏度分析出发,利用有限元法,计算出旋转型行波超声电机定子的模态频率对各结构参数的灵敏度,寻找出分离超声电机定子工作模态与非工作模态的一般方法。文中以南京航空航天大学超声电机研究中心研制的某TRUM-60旋转型行波超声电机为例,对其工作模态与非工作模态进行了分离,计算结果表明,该文提出的方法能很好的把工作模态与非工作模态分开。试验也证明该办法是行之有效的。     

口齿式定子驱动的平面超声电机特性分析

推出口齿形定子驱动的压电平面电机,选定子的面外弯振、面内横齿弯振、面内纵齿弯振作为工作模态,利用面外弯振分别与面内纵齿弯振、面内横齿弯振的振动耦合,分别在纵、横齿驱动足上生成沿xOz、yOz面行进的椭圆轨迹,以推动动子沿x、y向移动,阐明了电机的运动原理。基于频率一致性目标优化了定子尺寸,并厘定电机最适驱动频率为30 800 Hz。建立了定子机电耦合分析模型,计算出定子的瑞利阻尼,模拟出驱动足的椭圆轨迹,仿真得到在250 V电压激励时驱动足的x、y、z向振幅分别为2.1μm、2.6μm和2.0μm。探析了驱动电压、频率、相位差对电机振幅的影响。     

Design of a plate type multi-DOF ultrasonic motor and its self-oscillation driving circuit

Multi-degrees-of-freedom (DOF) actuators have become more useful in the field of robotics, as a result of the increasing number of DOFs of systems. The general features of ultrasonic motors are suitable for constructing a direct-drive multi-DOF actuator. However, previously developed ultrasonic motors do not have advantages in volume and weight in contrast to multi-DOF motion units composed of plural electromagnetic motors. In the present study, authors developed a novel multi-DOF ultrasonic motor with a compact plate stator and spherical rotor. First, a new driving principle of the motor is proposed. Next, the stator geometry is designed in detail using the finite element method, and a prototype of the multi-DOF ultrasonic motor is produced. Then, vibration characteristics of the stator and driving characteristics of the motor have been measured, respectively. The results confirm that the motor successfully provides the desired multi-DOF motion of the rotor around orthogonal axes driven by a single plate stator. Finally, a novel self-oscillation driving circuit for the motor is proposed and driving tests using the circuit are conducted.     

圆柱-球体三自由度超声电机的研究

从实现圆柱-球体多自由度超声电机的运动原理和提高其输出性能的角度出发，提出了该种电机设计的基本要求。在此基础上，设计了一种新的电机定子结构，并用有限元法对该定子进行了模态分析和设计计算。依据设计结果，制作了样机。实验结果表明，定子的工作模态基本上满足其设计要求，电机的输出性能较以前有了大幅度的提高。同时也证明所采用的设计方法是正确的。     

基于半功率带宽法的行波超声电机谐响应分析

该文以本单位研制的中空行波超声电机定子为对象,进行了有限元建模及谐响应仿真,发现定子阻尼比的设置对仿真结果的准确性影响较大。通过多普勒激光测振系统测得定子模态参数,利用半功率带宽法求出定子模态阻尼比,代入模型后仿真跟实测结果基本吻合,工作模态B_(011)频率仿真误差为1.66%,振幅仿真误差为4.61%。将定子齿特征参数化,分析了齿距和齿高对定子模态的影响。根据低转速、大扭矩的电机设计目标选取了合适的齿参数,加工出新定子实物。基于同样阻尼比再次进行有限元仿真并对新定子进行激光测振,对比得到工作模态B_(011)频率仿真误差为0.62%,振幅仿真误差为1.94%,验证了有限元谐响应仿真的准确性。此外,对原定子和新定子组装的电机进行性能测试,后者最高空载转速降低了30%,堵转扭矩提升了20%,符合预期设计。准确的参数化有限元模型有助于促进超声电机的快速化设计,提高了对符合电机目标功能的设计参数的选择效率。     

圆柱-球体多自由度超声电机定子的优化设计

为了实现圆柱-球体多自由度超声电机的运动和提高电机的机电转换效率。电机的定子要具有合适的工作模态。该文根据该种电机对其定子工作模态的要求，以定子的结构参数为设计变量，建立了定子的优化设计数学模型，采用约束变尺度优化法编制了计算程序，并对实例进行了相应的计算。通过与原型样机的实验结果进行比较，证明该文所提出的优化设计法是有效的。     

直线超声电机动子运动特性研究

对基于面内振动的直线超声电机运动特性进行研究,简述了电机工作原理及定子椭圆运动产生条件,分析了电机运转时动子与定子的接触状态。结合定子周期性伸缩振动,以等速点（定子与动子速度相等时刻点）和临界接触点为分割点,研究了一个激励信号周期内动子的速度变化趋势,建立了稳态下动子的速度模型和位移模型。基于所建模型,借助仿真手段研究了动、定子装配间距与动子速度之间的关系。结果表明,在保证电机正常工作的前提下,动子运动速度与动、定子间装配间距近似线性关系。     

超声电机性能的实验测试研究

超声电机是一种全新概念的新型电机,它利用压电材料的逆压电效应,使定子表面产生一定轨迹的微米量级的振动,进而通过摩擦耦合将振动动能转换成转子或滑块的宏观运动(转动或平动)动能,文章探究了在不同予应力的作用下电机的频率、相位对转速的影响。该研究为超声电机转速的控制提供了理论依据。     

驻波型自校正超声电机的研究

介绍了自校正超声电机的转动机理，用有限元法分析了该电机定子的振动模态，得到了适合电机运转的工作模态—— Ｂ１２模态，并且设计和制造了驻波型自校正超声电机。该电机定子直径为４０ ｍ ｍ ，高为 １．５ ｍ ｍ ，电机工作频率为 ３０ ｋ Ｈｚ～３３ ｋ Ｈｚ，能够实现正、反转并具有自校正的能力，设计计算与所做的实验结果基本吻合。     

面内弯纵型直线超声电机的数学模型与实验研究

提出了一种弯纵复合振动型的直线超声电机,电机由一块金属板和8片压电陶瓷片组成,金属板开设了4个长形孔,金属板开孔使电机的工作频率点得到优化.通过电机定子的机电耦合分析,提出了弯纵型直线超声电机的数学模型.弯纵复合振动的激发使定子驱动足的椭圆运动轨迹得以形成.通过实验验证了电机的可行性.     

基于激光散斑技术的超声马达定子的实验研究

给出了利用激光散斑测振技术实现超声马达定子谐振频率、振型的实验结果和分析。在简要介绍激光电子散斑测振的原理及装置的基础上,研究了超马达定子在不同的谐振频率下的振型。研究结果表明,利用激光散斑技术实现的定子实验研究,对研究与开发高性能超声马达具有重要的指导意义。     

环形直线行波超声电机定子的模态分析

针对一类环形封闭式的行波型直线超声电机定子的振动模态进行了有限元与实验研究。该类电机的定子由两个半圆环和两段直梁构成。分析了有限元的单元尺度对固有频率及频率差的影响以及压电陶瓷片的粘贴位置对固有频率及弯曲振型的影响。对自行研制的超声电机进行了实验研究。实验结果表明，固有频率差的数值计算值与相应的共振频率之差吻合。