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。     

纵弯模式驻波直线超声波电动机原理与设计

提出了一种基于薄板面内振动的纵弯模式驻波直线超声波电动机。利用定子一阶纵振和二阶弯振的复合振动使得定子驱动足上质点的运动轨迹为椭圆,在两驱动头的上方紧压一直线导轨,驱动头的椭圆运动通过两者的接触表现为导轨的左右直线运动。讨论了该电机的驱动机理,并对电机的输出特性做了初步的实验研究。     

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。     

计及动子振动的直线超声波电机驱动性能分析

文章研究了动子的振动对驻波型直线超声波电机驱动性能的影响。在传统驻波型超声波电机的驱动机理的基础上,通过在定子的不同振动阶段建立动子振动时的驱动力数学模型,研究了动子振幅对驻波型直线超声波电机驱动性能的影响。理论分析表明,动子振幅越大,电机的驱动性能下降越严重。在此基础上,文章通过采用U型结构动子,并附加阻尼的方式,有效的降低了动子振幅,提高了电机的输出。有限元分析证明了动子的减振效果,实验证明了理论的正确性和方案的可行性。     

双转子柱体超声波电机运行机理与实验研究

环形行波型超声波电机小直径条件下，输出性能逐渐失去低速大扭矩的特点。而柱体弯曲振动超声波电机是靠圆柱定子端部的摇头振动并通过摩擦来驱动转子的，定子的直径越小，摇头振动的幅值越大，因而，小直径时更能显示出这种电机的优越性。该文阐述了双转子柱体弯曲振动超声波电机的运行机理，证明了定子表面质点运动轨迹为一椭球：利用ANSYS有限元软件分析了电机的弯曲振动模态；用阻抗特性分析仪分析了电机的阻抗特性和相位特性；制作了直径为20mm、有两个转子的柱体弯曲振动超声波电机，并对其输出特性进行了测试，最大转矩达0．16Nm、最高转速为220r／min。     

十字叠层压电定子双面驱动的平面电机

旨在提升电机性能及推动电机微型化发展,提出了一种新型十字叠层压电定子双面驱动的平面电机,利用面外、面内弯振耦合形成的椭圆轨迹推动动子精密移动;首先探讨了质点椭圆运动轨迹的形成条件并论述了电机的运行机理;然后基于灵敏度分析确定结构参数优化变量并对定子进行优化,简并了工作模态频率且使其分别为43252Hz、43258Hz、43289Hz;最后利用Ansys对定子进行仿真计算,验证了定子设计的合理性和可行性,且仿真表明在激励电压为250V、频率43300Hz时,定子驱动足各向最大振动位移均达到了1.5μm,动子的运动速度达到了46mm/s。     

圆柱定子三自由度球转子超声波电机的轨迹运动方程

圆柱定子3自由度球转子超声波电机利用一个定子的3种共振模态的两两叠加、合成，分别驱动一个球转子的3个自由度的旋转运动，三相同时激励时的轨迹运动方程是实现球转子预期轨迹控制的关键理论模型。在定子3种不同模态的有限元分析基础上，该文推导了圆柱定子3自由度球转子超声波电机在3相同时激励时的运动轨迹及传递机理，并对不同激励条件下的轨迹运动方程进行了分析、对比，为提高圆柱定子3自由度球转子超声波电机的定转子传动效率和进一步定量分析动力传递方式，定子优化设计，以及球转子的轨迹控制策略奠定了理论基础。     

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)。     

H形直线超声波电动机的研究

在纵弯复合模态直线超声波电动机的基础上提出一种H形直线超声波电动机,该电机基于H形压电振子两侧金属直梁的一阶伸缩振动模态和三阶面内弯曲振动模态的叠加,在四个驱动足驱动下交替实现力的输出,通过改变两个工作模态相位差来实现速度控制及正、反方向驱动.利用有限元数值方法对振子进行了模态优化设计,确定了振子的结构参数,并加工制作了原理样机,对样机的输出特性进行了实验研究.该模型样机在驱动频率为30.70 kHz时,动子最大速度为230 mm/s,单侧驱动力为0.47 N.     

超声波电动机定子振动模态及影响因素分析

在研究圆柱定子超声波电动机结构和工作原理的基础上,运用有限元分析软件建立了超声波电动机定子的有限元计算模型,对纵向、弯曲振动模态进行了分析,研究了定子结构参数对驱动振子谐振频率的影响,研究结论为圆柱定子超声波电动机设计提供了相关理论依据。     

一种轮式直线型超声电机

利用非统一截面梁在正交方向上的2个6阶弯曲振动模态作为工作模态,设计了一种新型直线超声电机,对其驱动机理进行详细的分析,推导出定子表面质点的运动轨迹。同时,对定子的夹持和预压力施加方案进行了设计。设计加工的电机定子直径为20mm,长109mm,重230g。在驱动电压峰峰值为300V,驱动频率为32kHz时,电机最高速度达到433mm/s,最大推力为18N,推重比达到了7.9:1。     

超声波电机发展、建模研究及展望

超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应使定子产生超声振动 ,并通过定子和转子间的磨擦来驱动转子运动的新型电机 ,工作原理不同于传统的电磁电机。本文简单介绍了超声波电机的发展历史及到目前为止超声波电动机的建模研究 ,并在此基础上指出超声波电机的发展方向     

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。     

基于面内振动的纵弯模式超声波直线电机制设计与实验

以基于薄板内振动的纵弯模式驻波型超声波直线电机为研究对象,选择矩形薄板压电陶瓷片定子及单足驱动形式为例,分析了驱动机理,设计电机的具体结构,制作了样机并进行了实验测试,结果表明,电机运行良好,正反向运动灵活.     

基于面内振动的纵弯模式超声波直线电机的设计与实验

以基于薄板内振动的纵弯模式驻波型超声波直线电机为研究对象,选择矩形薄板压电陶瓷片定子及单足驱动形式为例,分析了驱动机理,设计电机的具体结构,制作了样机并进行了实验测试,结果表明,电机运行良好,正反向运动灵活。     

超声波电机发展、建模研究及展望

超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应使定予产生超声振动，并通过定子和转子间的磨擦来驱动转子运动的新型电机，工作原理不同于传统的电磁电机。本文简单介绍了超声波电机的发展历史及到目前为止超声波电动机的建模研究，并在此基础上指出超声波电机的发展方向。     

V型超声波电动机驱动头斜椭圆运动的理论分析

为有效提高V型直线超声波电动机的工作稳定性,对电机实际工作过程中驱动头的椭圆运动进行了分析.通过坐标变换,分析得出该型电机驱动头的椭圆运动轨迹为一斜椭圆.该电机驱动头的斜椭圆轨迹不仅与两个兰杰文振子的纵向振幅有关还和安装角θ有关.采用等速点分析的方法,利用冲量定理对正常安装形式下驱动头的斜椭圆轨迹在一个运动周期内对电机动子的驱动过程进行了完整分析,并得到了该型电机的机械特性方程,仿真了在该安装形式下电机的机械特性.通过和同类电机的试验对比,可以确定所得到的机械特性方程的正确性.     

液体媒质超声波电机定子振动的有限元分析

液体媒质超声波电机定转子不直接接触,而是利用液体将定子振动的机械能传递给转子,从而克服了接触型超声波电机的不足,是超声波电机一个新的研究方向.本文针对液体媒质超声波电机与接触型超声波电机能量传递方式上的不同,建立了电机定子有限元模型,通过定子模态、谐响应和电压激励时的动态分析,获得了电机的振动频率及接触面上定子质点的运动轨迹,在此基础上讨论了定子振动对电机运行特性的影响,并研究了压电片引起的定子振动的变化,给出了压电片厚度与振动幅值及谐振频率的关系曲线.最后测量了不同电压频率、不同液面高度时电机的转速,实验结果验证了理论分析的正确性.     

一种矩形板四足驱动旋转超声波电机的设计与仿真

为了拓展超声波电机的应用领域,提出了一种贴片式超声波电机。该电机利用压电陶瓷片d_(31)横向振动模态激励矩形板产生变形,激发四个驱动足端面产生椭圆轨迹运动经摩擦耦合推动转子连续旋转。对定子组件的结构进行了优化设计,之后利用有限元法进行模态分析,提取到所需的谐振频率为22.244kHz,输入两相20V_(p-p)激励电压后得到了定子驱动足端面的椭圆运动轨迹。研究表明,提出的超声波电机驱动足采用摩擦面,相比于以往仅靠点摩擦驱动转子的超声波电机增加了定、转子之间的接触面积,提高了能量转换效率;同时贴片式结构为超声波电机的小型化提供了理论基础。     

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。