旋转式惯性压电电机的振子模型研究

提出了一种新型旋转式压电惯性电机,利用压电双晶片振子作为驱动元件,用锯齿波作为激励电信号产生惯性冲击力使电机旋转。分析了旋转式压电惯性电机的驱动机理,建立了压电振子的动力学模型,求解了振子的自由振动固有频率和模态函数。分析了影响压电振子固有频率的系统参数及其影响规律。计算结果表明梁端部模态函数值与质量系数α的值成反比。这些结论为压电惯性电机的设计和进一步的研究提出了新的思路和方法。     

H-结构薄板纵弯复合模态驱动的压电直线电机

为高性能压电直线电机设计奠定基础,推出基于H型振子的直线电机并利用该振子两纵向杆面内一阶纵振与二阶弯振驱动电机。研究电机的驱动机理并从理论上阐释振子纵杆驱动端质点的椭圆运动形成过程;建立振子有限元模型并对其工作模态、灵敏度、谐响应进行分析;优化振子结构尺寸,完成电机装配结构设计并制作出振子、电机实物;对振子进行模态试验,结果显示该振子不仅具有预设的工作模态,且在正常激励条件下,驱动端纵、弯振幅值分别可达1.2 μm,1.4 μm。研究表明,该电机有望产生较大速度与动力。     

双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机

为了丰富平面超声电机的型式,提出一种双十字压电振子同型弯振模态驱动的平面超声电机。利用双十字压电振子的纵杆面内、面外弯振耦合以及横杆面内、面外弯振耦合,分别在两杆的驱动足上合成沿xoz、yoz面行进的两相椭圆轨迹,以交替地推动动子沿x、y向移动。分析了该平面超声电机的驱动机理,并推导出两相椭圆轨迹方程。建立了双十字压电振子机电耦合模型,对其三相工作模态的振型进行仿真分析,并在结构优化的基础上实现了三相工作模态频率一致,使它们分别为43 468,43 552和43 569 Hz。仿真了双十字压电振子的频响特性并实现了干扰模态分离,当驱动电压为250 V时,驱动足x、y、z向振幅分别为1.3,0.8和0.9 μm,满足电机驱动要求。模拟得到定频激励下双十字压电振子驱动足的两相椭圆运动轨迹,验证了所设计平面超声电机驱动机理的有效性。该平面超声电机可输出较大速度与动力,具有广阔的应用前景。     

电磁铁冲击激励下的螺母电机

直线电机作为电机驱动的一种,目前有很多的实现方式,电磁式的、压电式的和气动式直线电机或运动机构。本文根据电磁铁的往复运动特性,利用单向离合器的单向传递力矩,设计了一个往复冲击激励下的螺母直线电机。设计了电机的结构,分析了电机的运动过程和针对非线性碰撞利用MLP方法建立了简单的运动学方程,在搭建简单的实验平台后测量了三种不同质量铁芯冲击时丝杆的最大运动速度,并判断了电机运动的稳定性,得出在冲击激励下可以得到稳定的直线运动的结论。     

新型压电双晶片式惯性旋转驱动机构设计

提出了一种通过机械方式控制压电驱动机构和接触面间摩擦力矩的有序变化,形成以压电双晶片振子为驱动元件的新型压电惯性旋转驱动机构的研究方案．研究了该机构的运动机理,指出通过改变机构向不同方向运动时和支撑面之间的摩擦系数值,可以实现压电驱动机构的定向运动．对机构惯性冲击力矩的产生、摩擦阻力矩的改变形式进行了分析．设计了压电惯性旋转驱动机构,制作了试验样机,并对相关性能进行了测试试验结果证明该机构可以实现预期的运动.     

两端剪力薄膜支撑圆柱壳体的点导纳特性

针对两端剪力薄膜支撑各向同性圆柱壳体的动力响应问题,基于多种经典薄壳理论及模态叠加原理,考虑到非径向振动惯性项的贡献,同时计入正余弦模态的响应,推导了圆柱壳体同时受简谐集中力与力矩激励下的力导纳、力矩导纳以及耦合导纳的完整解析表达式。算例表明,圆柱壳体运动方程中的非径向振动惯性项对各阶模态及导纳幅频的预估精度影响显著;耦合导纳实部具有可负性规律,对输入壳体的振动能量起着重要作用。旨在为两端剪力薄膜支撑圆柱壳体结构的减振降噪和以其为支承基础的主被动隔振系统的设计提供理论指导。     

新颖微型压电旋转关节的建模与仿真

提出一种基于惯性冲击驱动原理的新颖微型压电旋转关节,用于关节臂式多自由度定位操作系统的旋转关节驱动.该旋转关节采用对称的整体结构设计,利用压电堆产生驱动力矩,通过碟形弹簧调整预紧力,具有运行稳定、驱动力矩大、易于微型化等优点.建立了该机构驱动模块的结构模型,运用ANSYS软件分析了定子结构的静态变形和固有振动特性;建立了该机构的动力学模型,应用MATLAB/Simulink软件获得了旋转轴的粘滑运动和步进位移特性.仿真结果表明,该压电旋转关节具有较好的步进位移输出能力和较宽工作频率范围,在1 000 V/mm激励电场下,步进位移达到0.07°,稳定的粘滑工作频率达到1 000 Hz以上.     

十字形压电振子同型模态振动驱动的平面电机

提出十字形压电振子同型模态驱动的压电平面电机新原理,选定该振子的面外弯振、面内横杆弯振、面内纵杆弯振为工作模态,利用面外弯振分别与面内纵杆弯振、面内横杆弯振的振动耦合,在纵、横杆驱动足上生成沿x Oz、y Oz面行进的椭圆轨迹以推动动子沿x、y向移动。阐明电机驱动原理,优化出振子尺寸为60 mm×60 mm×7.8mm,厘定电机最适驱动频率为30 127 Hz。建立振子机电耦合模型,研究驱动足的振动特性,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1.6μm、1.6μm和1.2μm。建立电机的整机分析模型,探析驱动电压、频率、相位差、预紧力对电机速度的影响。在正常驱动条件下,电机速度可达50 mm/s。该电机在平面装置驱动中的应用前景广泛。     

机电集成压电谐波电机传动系统非线性自由振动分析

设计集压电驱动、谐波传动及活齿传动为一体的机电集成压电谐波电机,并分析其工作机理。借鉴行星齿轮传动理论,建立传动系统动力学模型。利用Linz Ted-Poincaré法推导传动系统非线性频率特性方程及位移响应方程,分析传动系统的非线性频率变化规律及时域响应特点;通过ANSYS有限元软件对频率进行验证。结果表明,传动系统非线性由啮合齿数变化引起,啮合齿数越少系统非线性越显著;系统位移响应受非线性影响最明显、微弱的分别为波发生器x及u向;利用有限元仿真验证动力学模型的正确性。     

新型人工中耳压电振子设计

提出利用压电叠堆作砧骨激励式人工中耳的振子,并利用中耳-压电叠堆耦合力学模型对该压电叠堆振子进行辅助设计。该模型基于一无任何听力损伤病史的成年志愿者的左耳,利用CT扫描和逆向成型技术建成。其可靠性通过与实验对比加以验证。最终设计的压电振子只需要10.5 V的有效驱动电压,便可以对镫骨激起相当于鼓膜处90 dB声压激励的振幅。该振子在频率为1 kHz的单伏电压驱动工况下,能耗仅为0.03 mW,满足人工中耳低电压、低能耗的要求。     

Longitudinal-bending mode micromotor using multilayer piezoelectric actuator

Longitudinal-bending mode ultrasonic motors with a diameter of 3 mm were fabricated using stacked multilayer piezoelectric actuators, which were self-developed from hard lead zirconate titanate (PZT) ceramic. A bending vibration was converted from a longitudinal vibration with a longitudinal-bending coupler. The motors could be bidirectionally operated by changing driving frequency. Their starting and braking torque were analyzed based on the transient velocity response. With a load of moment of inertia 2.5 x 10(-7) kgm2, the motor showed a maximum starting torque of 127.5 microNm. The braking torque proved to be a constant independent on the motor's driving conditions and was roughly equivalent to the maximum starting torque achievable with our micromotors.     

A single vibration mode tubular piezoelectric ultrasonic motor

A novel tubular ultrasonic motor is presented that uses only a single vibration bending mode of a piezoelectric tube to generate rotation. When the piezoelectric tube bends, the diagonal motion of points on selected areas at the ends of the tube generates forces with tangential components along the same circumferential direction, driving the rotors to rotate. Bi-directional motion is achieved by simply switching the direction of bending. Because only one vibration mode is used, the motor requires only one driving signal and no vibration mode coupling is needed, simplifying the design, fabrication, assembly, and operation of the device. Two prototypes [one with cut-in lead zirconate titanate (PZT) teeth and one with added metal teeth] were built and tested using PZT tubes available to the authors. The tubes have an outside diameter of 6.6 mm, inner diameter of 5.0 mm, and length of 25.4 mm. The working frequencies of the two motors are 27.6 and 23.5 kHz. The motors achieved a maximum no-load speed of 400 rpm and a stall torque of 300 μN·m.     

Y形旋转超声波马达的设计与动态特性分析

为了探索和丰富旋转超声波马达的结构,使其满足响应精准且速度快以及控制简便的要求,设计了Y形旋转超声波马达,并对其结构及动态特性进行了分析。Y形旋转超声波马达将3组压电陶瓷片的横向振动复合成驱动足端面对转子的微幅驱动,通过摩擦耦合在惯性作用下推动转子顺时针或逆时针旋转。运用Workbench软件中的Design Exporation组件对Y形旋转超声波马达定子组件的结构尺寸进行了优化设计,提升了定子组件的性能。构建优化后Y形旋转超声波马达定子组件的有限元仿真模型,并通过模态分析获得了定子组件工作所需的固有振型,通过谐响应分析获得了定子组件的幅频特性曲线,通过瞬态分析获得了1个激励周期内定子组件的振动模态,验证了Y形旋转超声波马达的驱动机理。结果表明,Y形旋转超声波马达压电陶瓷片表面施加电压的最佳频率为20 739 Hz,对应的驱动足端面的振幅为6.95 μm。Y形旋转超声波马达结构简单且具有对称性,能效利用率高,对拓宽超声波马达的应用领域有重要参考价值。     

A piezoelectric motor using flexural vibration of a thin piezoelectric membrane

This paper describes a new implementation of a disk-type piezoelectric motor, whose stator is a commercial available piezomembrane composed of a nickel alloy disk to which a piezoceramic disk is bonded. The two disks are concentric, and the total thickness is very small. Ultrasonic motors are based on the concept of driving a rotor by mechanical vibration excited on a stator, via the piezoelectric effect. The rotor is in contact with the stator, and the driving force is the frictional force between rotor and stator. To transform the mechanical vibration of the stator in the rotor rotation, a traveling wave must be excited on the stator surface. The proposed motor can be regarded as a disk-type, single wavelength motor in which the traveling wave is due to the natural flexural vibration of the piezomembrane at low frequency. The behavior of the stator is analyzed both theoretically, by using the theory of isotropic and homogeneous vibrating plates, and by means of a commercial finite element computer code, finding a good agreement with the experimental results. The main features of the motor are very small thickness, appreciable torque, and high speed, obtained with low input power at low voltage; the intended application is to substitute the moving-coil in analogic instrumentation.     

Improvement of the longitudinal vibration system for the hybrid transducer ultrasonic motor

This paper presents a symmetric hybrid transducer ultrasonic motor designed to produce large longitudinal vibration stress in the rotor/stator contact interface for high-torque operation. The nodal plane of the longitudinal vibration mode was adjusted to match the rotor/stator contact interface, and the piezoelectric ceramic disks for the longitudinal vibration were installed at the nodal plane of the longitudinal vibration mode for effective excitation. An experimental motor, 20 mm in diameter, using the first torsional vibration mode and the second longitudinal vibration mode was manufactured. A maximum torque of 0.8 N.m was achieved in the prototype, an improvement over previous versions.     

考虑驱动和负载状态的三自由度超声电机接触模型研究

建立了一种考虑不同运转情况的对于三定子多自由度超声电机的接触模型。介绍了三自由度超声电机的基本原理和结构并计算得出了其驱动转矩,引入Hertz接触理论和Mindlin理论对摩擦情况进行分析,考虑了摩擦因数的动态非线性和摩擦力分布的非线性变化,提出了一种新型的接触模型,改进了传统的线性摩擦模型;通过转矩关系和摩擦模型对电机不同运动情况下摩擦力分布进行分析,并用Matlab绘制相应的摩擦力分布图。分析结果验证了三自由度超声电机合理性,说明了三相压电定子接触状态根据驱动情况和负载而定,为进一步的优化设计和性能改进奠定了基础。     

基于谐波平衡法的双稳态压电发电系统非线性振动特性研究

研究双稳态压电发电系统非线性振动特性。通过谐波平衡法计算获得系统幅频响应方程,分析不同非线性系数、阻抗参数与激励对系统幅值解影响,随激励频率、幅值的变化,双稳态压电发电系统幅值解存在跳跃、多解现象,调节非线性系数及阻抗参数可使不稳定区域范围最小;研究外加激励对功率影响,随非线性系数及阻抗参数的增加,输出功率先增加后减小,通过调节磁化强度与负载阻抗可使系统输出功率最大;通过实验所得频率电压响应曲线及电阻功率响应曲线,验证系统非线性分析结果。可为双稳态压电发电系统工程应用提供理论依据。     

一类准周期参激非线性扭振系统的周期簇发

考虑旋转机械中两种频率不同的周期参数激励同时存在对其传动系统的影响,基于拉格朗日方程,建立一类含准周期参激刚度和摩擦阻尼的非线性扭振系统的动力学方程。运用多尺度法对该扭振系统进行求解,得到系统在1/2亚谐波主参数共振下的幅频特性方程和分岔响应方程。在此基础上,研究了当两种周期参激的频率相差较大时非线性扭振系统的周期簇发现象,分析了快变参激和慢变参激对扭振系统的周期簇发的影响。通过数值仿真,给出了产生周期簇发的参数取值区域。在该区域内系统发生静息态与激发态的相互转迁,当快变激励的幅值减小时,激发态区域扩大,簇发的时间延长,通过调节慢变参激幅值会改变系统簇发的类型和轨迹     

稳定转台摩擦参数的测量及其对稳定精度的影响

提出一种测量由力矩电机驱动的稳定转台摩擦参数的方法.通过对转台自由减速过程速度曲线的拟合,以及电机启动过程电流的测量,可以得到最大静摩擦力矩、库仑摩擦力矩、粘滞摩擦系数和转动惯量.建立了稳定转台摩擦的仿真模型.针对一个单轴稳定转台进行的仿真和实验结果表明,在扰动换向时产生的稳定误差尖峰由扰动换向时的阶跃摩擦干扰力矩产生.仿真获得了和实验一致的精度结果.对进一步提高稳定精度的方法进行了分析.