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。     

行波旋转型超声波电动机定转子接触滑移分析

超声波电动机工作时定转子之间径向滑动损耗是可观的,减小滑动损耗有利于提高超声波电动机输出效率。根据超声波电动机整体结构特点,构建定转子接触滑移主要影响参数,即转子腹板厚度、定子腹板厚度、柔性部分宽度和高度,在振动分析理论基础上建立电机分析模型,基于ANSYS软件仿真分析,在相同边界条件下各影响参数对电机定转子滑移距离的影响,分析得出在施加相同预压力条件下,转子腹板厚度和柔性环节高度对滑移距离影响较小,而定子腹板厚度和柔性环节宽度影响较大,该结论为超声波电动机的设计提供了理论依据。     

旋转型行波超声电机接触界面的空间域分析

由行波的时空对应关系,可以在空间域分析旋转型行波超声电机稳定工作的某一时刻定、转子的接触状态。将此接触状态的求解转化为静态分析问题,采用ANSYS的三维点点接触单元建立有限元模型。给出该模型的约束和载荷的施加方式,以及预压力与间距之间的关系。由该模型可以得到各向接触力和定、转子的速度分布,还可以得到接触界面的动力输出特性。进一步计算接触界面对定子的模态力,分析其对定子的影响。空间域模型可以将预压力作为已知条件施加,这便于分析预压力对旋转型行波超声电机的影响。与实验对比表明,该模型在驱动频率和定子振幅一定的条件下得出的计算值与实验值在一定预压力附近较为接近。     

行波型超声波电机定转子接触粘滑分布特性

考虑了摩擦层剪切变形,对行波型超声波电机定转子接触区域内的粘滑分布特性进行研究。首先假设超声波电机定转子接触区域内完全为粘滞分布的情况下,求得接触区域内摩擦材料的切向应力;再与滑动摩擦应力进行比较,从而确定接触区域内粘滑分布情况及其分布规律,并根据所获得的粘滑分布计算电机运行性能。最后,对理论分析的结果进行实验验证,实验结果与理论分析结果相吻合,验证了理论分析的正确性,为超声波电机的设计与分析提供了理论依据。     

旋转型行波超声电机中三维接触机理的研究

通过分析旋转型行波超声电机接触界面上的相对运动趋势和动力传递机理,指出定、转子存在径向滑动的现象,由此建立了考虑径向滑动的三维接触模型,并提出描述径向滑动趋势大小的指标——摩擦角,在此基础上结合定子与转子的动力学描述得到了整个电机的数学模型。文章通过仿真得到了界面上切向接触作用力的分布规律和滑动摩擦导致的能量损失情况,分析了径向滑移对电机输出特性的影响,结果与实验吻合。而以往文献的接触模型由于忽略了界面上的径向滑动造成的损耗,其性能仿真与实验结果有较大偏差,由此证明了径向滑移对电机机械性能的影响是不容忽视的。     

行波型旋转超声电机温度场分析方法

针对行波型旋转超声电机发热严重的问题,建立三维瞬态温度场的模型.综合考虑超声电机产生损耗的原因,对各部位的损耗进行理论推导和数值计算.利用Ansys软件对理论模型进行仿真,分析了超声电机关键部位的温度分布情况.建立了一套温度测试系统,对理论模型和仿真结果进行试验验证.结果表明,理论分析和试验结果基本吻合,为进一步研究超声电机的热源优化问题提供了分析和试验方法.     

行波型旋转超声电机双路行波的运行机理

由于行波型旋转超声电机（travelingwaverotaryultrasonicmotor,TRUM）存在着诸多非线性因素,双定转子TRUM中的双路行波输出性能还有待提高。基于单定转子TRUM理论,研究了双路行波运行的轴向组合振动特性和周向合成输出特性,分析了单转轴一双转子结构体的轴向振动模型,由于该结构体阻尼减振的不足,提出一种隔振设计解决方案。建立了双路行波周向合成的输出模型,并探讨了两路行波不一致时的输出特点。实验结果表明,与单定转子TRUM相比,基于隔振结构的新型双定转子TRUM的输出转矩提高了80％,功率密度提高了43．1％,且双路行波输出转矩的合成效率达到90％。该研究为扩展TRUM的应用范围提供了参考。     

旋转型行波超声电机的等效电路模型

在推导旋转型行波超声电机定转子运动拉格朗日方程和压电陶瓷电流方程的基础上,建立了超声电机的等效电路模型。并通过测量单相定子导纳、由摩擦层和转子材料特性参数估算模型中相关元件的值和解析计算电机输出功率及摩擦损耗的方法,对模型进行简化,并获取其中各参数。将电机不同负载转矩及驱动频率的工作条件考虑在内,以电机的等效电路模型作为驱动器的电气负载来设计驱动器参数。给出了理论计算同实测的结果,验证了等效电路模型的正确性和有效性。     

行波型旋转超声电机速度稳定性研究

为了提高行波型旋转超声电机速度稳定性,分析现有双轴承支撑情况下,加工和装配误差对速度稳定性的影响,认为沿圆周压力不均衡是造成速度波动的主要原因之一。提出了单轴承支撑附加调心结构的方案,使接触界面实现压力自平衡。理论和实验分析表明,这种方案使接触界面的压力分布更加均匀,速度稳定性更好。实验结果表明,与原结构对比,在超声电机输出力矩、速度范围等主要性能指标基本一致的情况下,超声电机的空载速度波动率降低了约40.0%,波动范围达到2.0%以内。     

双定子单转子旋转型行波超声电动机转子的优化设计

针对双定子单转子旋转型超声电动机工作时定、转子接触面积过小的问题,对电机转子进行柔性设计;采用有限元法建立定转子接触模型,进行静力学和动力学分析;得到了转子的接触压力分布和电机的转矩-转速特性,并与刚性转子进行比较;结果表明,柔性转子在性能上优于刚性转子。仿真结果对双定子单转子旋转型超声电动机的设计具有重要指导意义。     

高温环境下旋转型行波超声电机性能研究

行波型超声电机适合用于宇航搭载设备驱动器,因此必须对其进行包括高温环境的特殊环境下的性能研究。通过对行波型旋转超声电机在高温环境下进行了机械性能测试,得到了超声电机高温环境机械特性：超声电机的空载转速有所下降,但最大力矩随着温度的升高而增大,在70 ℃时,超声电机的堵转力矩达到最大,在80 ℃时,堵转力矩微降。分析了超声电机各个部件在不同温度环境下性能的变化对超声电机机械特性的影响：电机定子和压电陶瓷在高温环境下对电机的力矩和转速有提升作用;定、转子的摩擦界面在高温环境下对电机的力矩和转速起降低作用;预压力使超声电机的力矩起增加,但使电机转速下降。     

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。     

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。     

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。     

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。     

旋转电机转子振动影响分析

旋转电机在能源、核电、石化等许多行业中应用广泛,电机运转过程中的振动一直是设备工厂与设备使用用户关注的重点,电机振动是转子-机壳-基础系统动力作用的外现形式,对动力系统的研究是了解振动的不可或缺的重要步骤.转子系统作为动力系统的关键环节以及最主要动力源,在振动分析中发挥着重要作用.以一台旋转电机为例,研究轴承间隙及转子...     

行波型超声波电机PWM驱动控制系统研究

针对行波型超声波的电机的驱动特点和要求,结合脉宽调制技术（PWM）,研制出一套适合于行波型超声波电机的PWM驱动－控制系统,该系统采用变频调速方式对电机进行闭环控制。实验结果表明,PWM驱动控制系统的性能稳定、可靠,是行波型超声波电机驱动的一种新的探索。     

高速永磁电机定转子小间隙三维流场计算

为了考察高速、超高速下这种"定转子环形间隙+定子槽"并联冷却结构的流场特性,针对一台额定转速120 000 r/min的超高速永磁电机,采用计算流体动力学方法对定转子小间隙三维流场进行了研究,分别考虑了定子槽、轴向冷却流,以及转速对电机定转子小间隙流场的影响。结果表明:定子开槽后,原先存在于定转子环形间隙内的泰勒涡消失了,另外高转速、轴向流加强了环形间隙区气流与定子槽区气流的混合程度。研究结果为高速永磁电机转子热设计提供了重要参考依据。     

行波接触型超声波电机特性与控制研究

行波接触型超声波电机的工作原理与电磁型电机的工作原理截然不同,本文对其控制系统各组成部分作了分析,给出了控制器输出波形;并对行波接触型超声波电机定、转子之间的摩擦传动进行了研究,提出了电机效率计算方法,对机械特性与效率曲线进行了计算,计算结果与实验测试结果相符合。     

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。