四悬臂复合换能器式圆筒行波超声波电动机的研究

通过提出一种四悬臂复合换能器行波超声波电动机,提高了超声波电动机的输出力矩和性能。该电机由4个换能器、圆筒和转子组成,4个换能器均匀地分布在圆筒四周。通过控制输入激励信号,实现在圆筒上激励出在时间上相差π/2的纵弯模态行波,通过圆筒上齿和转子耦合使转子产生运动。在分析电机工作机理的基础上,建立了纵弯复合换能器式圆筒行波超声波电动机的有限元模型,通过对模态进行分析,最终实现电机纵振和弯振的复合模态简并。     

超声谐波电动机的设计与分析

为获得低速输出的微特电机,提出一种新型超声谐波电动机。首先确定超声谐波电动机的整体结构,分析其工作原理,然后进行超声波发生器即行波超声波电动机的设计,行波超声波电动机由对称布置的两个纵弯复合式换能器驱动,分析其工作原理。最后进行换能器纵振频率、弯振频率及定子环频率之间的简并,并进行瞬态分析,研究对称分布的换能器在定子环上激励的两列行波的振幅叠加情况,为行波超声波电动机的进一步优化设计提供理论指导。     

纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机

提出一种纵振夹心换能器式圆筒型行波超声电机,该电机定子组件由定子圆筒和4个纵振夹心换能器组成,变幅杆和圆筒采用一整块硬铝合金加工而成。利用压电陶瓷片的纵向振动在夹心换能器中激励出纵向振动,实现两组换能器在定子圆筒上激励出2个幅值相等、在时间和空间上均相差p/2的弯振模态响应,2个弯振模态响应叠加在定子圆筒上形成弯曲振动行波,定子齿表面质点产生椭圆运动轨迹,进而通过和转子之间的摩擦耦合实现宏观运动输出。运用有限元法设计了定子圆筒和纵振夹心换能器,并实现了频率简并。测量结果表明,样机的最大转速为110 r/min,堵转力矩为0.5 N×m。     

一种纵弯复合型超声波电动机的设计与分析

为解决纵弯超声波电动机电路匹配和结构设计复杂的问题,介绍了一种新型纵弯复合型超声波电动机结构,该电机由4个纵弯超声换能器组成。介绍了电机的结构并且对其运行原理进行了分析,其次运用有限元法通过调整结构参数实现了超声换能器的纵弯模态简并,接着运用ANSYS对超声换能器进行了瞬态分析,得到了驱动足质点的椭圆运动轨迹。最后研制了原理样机并进行测试,测得该电机的最高转速为96 r/min,最大转矩为3.8 N·m。     

弯振复合型螺杆式压电驱动器研究

为了提高压电驱动器的机械输出性能,便于压电驱动器振动能量的传输,研制了一种弯振复合型螺杆式压电驱动器。该驱动器由圆筒和两个弯振夹心式换能器组成,换能器由变幅杆和两组弯振压电陶瓷片组成,且变幅杆和圆筒采用一体结构。对驱动器的工作原理进行了分析,利用有限元法对换能器进行了仿真,实现了换能器两个振动模态特征频率的匹配。对驱动器的基本输出特性进行了测试,测试结果表明该驱动器的螺杆最大输出速度为0.62mm/s,最大输出力为1.8 N。     

微小型纵弯复合激励式圆筒超声电机的设计

为了有效提高超声电机的机械输出性能,研制了一种微小型贴片式纵弯复合激励式圆筒型行波超声电机。该电机由圆筒和一个纵弯复合换能器组成,换能器位于圆筒的外侧壁上,换能器由一对弯振压电陶瓷片、一对纵振压电陶瓷片和前端为变幅杆的长方形铝块组成。对电机的工作原理进行了分析,利用有限元方法对电机进行了设计与仿真,实现了电机两个基本振动模态特征频率的简并。对振动特性进行了测试,测试结果与有限元分析结果吻合良好。测试结果表明,换能器的纵振、弯振和圆筒弯振模态之间均实现了很好的匹配。。     

平面超声波电动机的研究

提出了一种新型平面超声波电动机.电动机采用单定子十字正交纵弯夹心换能器结构,4个驱动足位于相应端部第一个弯曲驻波的波腹处.借助有限元法,分析电机结构参数对纵振和弯振特征频率的影响趋势,调整结构参数将纵弯模态特征频率简并至22463 Hz.建立驱动足运动轨迹的数学模型,借助有限元瞬态分析,对驱动足振动轨迹进行仿真,实现对所建立振动轨迹数学模型的验证.     

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。     

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)。     

三圆柱定子纵-弯复合模式超声波电机的研制与实验

该文研究了三圆柱定子纵-弯复合模式超声波电机的驱动机理,设计制作了三圆柱定子纵-弯模式的新型结构电机,并进行了实验测试。实验结果表明,该类型电机不但结构简单紧凑,而且具有良好的输出性能,如反应速度快、控制特性好,低速大转矩等,设计达到了预期目标。     

支撑宽度对环形超声波电动机定子振动特性的影响

环形行波型超声波电动机工作时,为了获得定子的最大振幅,定转子一般均采用弹性支撑.但当电机的直径增加时,定转子的支撑部分在轴向压力作用下引起的弯曲变形会大大增加,从而减少了电机的输出转矩.主要分析定子支撑宽度对定子振动特性的影响,并得出:直径108 mm环形行波型超声波电动机的支撑宽度以9mm和4mm为宜.     

新型旋转型行波超声波电动机定子的研究

定子作为超声波电动机的重要组成部分,它的振动性能直接影响电机驱动器的输出特性。研究了一种新型旋转型行波超声波电动机定子结构,利用有限元分析软件进行建模并进行动力学分析,通过改变定子齿、弹性基体中重要的结构尺寸,提取定子振动模态频率和质点振幅,研究不同的结构尺寸对振动模态和振幅的影响。最后对一确定尺寸的定子进行整体性能分析,证明定子设计的合理性。该研究有助于减少电机开发过程中的盲目性,缩短设计周期,提高经济效益,并能为最终实现电机的运动特性控制和结构优化设计提供必要的理论基础。     

新型碗状超声波电动机的研究

针对一类定子结构不确定的超声波电动机,基于压电陶瓷片的逆压电效应,构造出一种碗状型的新型超声波电动机。通过对压电换能器尺寸的设计与调整,从而使电机的部分性能得到优化。利用ANSYS有限元分析的方法对超声波电动机压电换能器进行模态分析和谐响应分析。建立以谐振频率和预压力为超声波电动机基本性能测评标准,并通过实验来验证设计的准确性。     

一种纵弯复合单驱动足超声波电动机的设计

研究了一种新型的纵弯复合单驱动足超声波电动机,并设计了压电振子的极化方向和电路连接。对纵弯复合单驱动足超声波电动机的10个结构参数进行了灵敏度分析,得到不同参数对电机的纵振模态、弯振模态以及频率差值的影响,并进行了纵弯简并,得到了优化后的结构参数。     

纵弯复合两自由度直线超声波电动机

介绍了一种一阶纵振模态与二阶弯振模态复合的两自由度直线超声波电动机的结构组成和工作原理,用有限元方法对电机的定子进行了结构动力学设计,并制作了电机样机。对电机定子的工作模态和电机的输出性能进行了测试。实验表明:定子的工作模态与理论设计结果相符,并较好地满足了设计要求;电机的输出速度和推力得到了大幅度提高,从而证明所提出的设计思路是合理、可行的。     

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。     

纵-弯复合旋转式超声波电动机的优化设计与性能分析

提出一种采用压电叠堆和压电双晶悬臂板构成的新型纵-弯复合旋转式超声波电动机,利用电动机定子的一阶纵振动和二阶弯曲振动模态复合形成接触头的椭圆运动,实现电动机的旋转驱动。分析了电动机的总体结构和运行机理,利用有限元方法建立了电动机定子的机电耦合模型,通过对定子的模态分析和结构优化设计,确定了定子的两个工作模态以及两工作模态频率的调谐。通过对定子振动特性的分析,验证了电动机设计方法和设计思路的正确性。最后,利用冲量定理和能量守恒原理建立了电动机的力传递模型,数值分析了电动机的机械输出特性。研究结果对于改善和优化超声波电动机的输出性能以及电动机的建模具有实践指导作用。     

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。     

贴片式纵弯复合型直线超声电机的理论建模与实验研究

为了满足狭窄空间的精密驱动与控制需求,提出一种结构简单、紧凑、体积小、重量轻的贴片式纵弯复合型直线超声电机。通过两相电信号激励电机定子产生纵弯复合模态,并在驱动足处耦合出椭圆轨迹,从而经摩擦作用驱动动子实现电机的双向运动。首先,采用传递矩阵法建立定子系统机电耦合模型以分析定子的动力学特性,并对定子结构尺寸进行优化设计。其次,加工并装配定子的原理样机,通过测振实验验证了理论模型的正确性。最后,搭建实验平台并对电机原理样机进行了机械输出性能测试,结果表明:在峰峰值200V驱动电压下,电机原理样机在左右2个方向上的最佳驱动频率分别为35.6kHz和35.7kHz,对应的最大空载速度分别为486mm/s和551mm/s,最大推力为0.4 N;在峰峰500V驱动电压下,电机原理样机在左右2个方向上的最大推力分别为0.48N和0.46N。     

基于不对称振动模态的毫米级直线超声波电动机的研制

介绍了一款微型直线超声波电动机的研制。该电机利用两个频率不相等的不对称弯振模态工作,可以实现单相驱动和两相驱动。建立了电机定子的运动学模型,分析了在单相、两相驱动下定子驱动质点的运动轨迹,推导出其椭圆运动轨迹方程。利用有限元对在不同频率驱动下定子驱动点的运动轨迹进行了仿真,检验了电机运动机理分析的正确性。制作了微型直线超声波电动机样机,该电机定子的尺寸仅为1.72 mm×1.72 mm×6mm,在驱动频率为131.9 kHz、激励电压为40 V时,电机单相、两相激励时的空载速度分别为3.9 mm/s和4.9 mm/s。