双足压电直线作动器结构优化与实验

为提高双足压电直线作动器的有效驱动,增强作动器中二级杠杆微位移结构和柔性铰链的放大能力,对作动器的结构参数进行优化。首先,对二级杠杆微位移机构的放大倍数进行理论计算,基于ANSYS完成作动器定子作动仿真过程;其次,通过仿真分析发现,在作动器定子中综合使用直圆型柔性铰链和直梁型柔性铰链,会使作动器定子放大倍数得到优化,最优铰链参数对应的放大倍数为8.131;最后,制作了该作动器样机并进行了定子驱动足振幅测试,两驱动足的振动相对稳定。实验结果表明,驱动足I,II的位移振幅在60和63μm的上下范围浮动,与实际相符合。与现有的压电直线作动器相比较,该作动器结构简单,易于安装调试,具有大振幅驱动和运行稳定等特点。     

基于压电作动器的直线电机及其高效驱动

由于传统的压电作动器驱动易造成严重发热、波形欠佳以及处理速度要求较高等问题,本文提出了一种新型的基于压电作动器的非共振型直线电机及其驱动方式。为满足作动器大容性负载特性及其驱动器对高频率的需求,通过电路匹配分析,提出了直流升压变换器和谐振变换的驱动方案,设计了偏压电路使输出驱动波形满足作动器驱动电压的要求。采用傅里叶变换对设计的电路波形及电路功率进行了分析与计算,结果显示采用新驱动方式电路消耗的功率仅是线性驱动方式的61.7%。将设计的新驱动电路用于双作动器驱动的新型非共振型直线电机驱动实验表明,电机运转平稳,电路功耗小,实现了变频和变压驱动。     

两级复合放大箝位步进压电直线电机

针对尺蠖式电机运行过程中导轨与动子对加工与装配要求过高的问题,提出了一种尺蠖式原理的两级复合放大箝位步进压电直线电机,分析了电机的工作原理,设计了电机箝位机构和总体结构。利用有限元软件对箝位机构进行仿真分析,得到柔性结构的最佳尺寸。制作样机并设计实验,得到了电机的速度特性曲线并进行分析。样机的实验结果证明了该方案的可行性,并且在电压峰峰值为100V、频率为150Hz的方波信号激励下,电机的空载速度可达1.23mm/s,最大推力可达1.6N。该电机有效降低了驱动器的加工与装配要求,增强了电机运行的稳定性。     

一种双足驱动压电直线电机

为研制高精度、大行程、大推力的压电直线电机,设计了一种基于叠层压电陶瓷的步进式压电直线电机。分析了电机的工作原理,对电机的结构进行了设计,制作了原理样机,并进行了实验研究。实验表明,在一定频率范围内,定子驱动足振幅与电压成线性关系,且最大振幅可达2.9μm,电机最大无负载速度为796μm/s,最大输出推力为4.8N,达到了预期的目的。     

拉压负载下的大推力压电直线作动器

为解决压电直线作动器在受到拉力和压力负载时的驱动问题,本文提出了一种双向压电直线作动器。该作动器主要采用双向螺旋箝位原理,实现双向大推力作动。结构上,将两个压电叠堆对称布局,梯形丝杠螺母组成螺旋箝位,匹配二者驱动时序实现压力和拉力下的驱动。为研究双向尺蠖驱动机理,设计了双向螺旋箝位机构和作动器总体结构;而螺旋箝位作为尺蠖驱动的关键因素,为了准确地表达箝位的可靠性,研究了力矩电机与柔性联轴器及压电叠堆的匹配关系,并通过ANSYS软件对箝位功能进行了仿真分析。设计加工的样机机身总长为233mm,最大外径为63mm,质量为1.1kg。搭建样机的测试系统,试验表明:该作动器的最大输出力可达190N,最高速度可达2.58mm/s,行程为60mm。     

二级杠杆柔性铰链复合结构的双足压电直线电机

为实现精密机械装置的快速定位,增加压电直线电机中位移放大结构对压电叠堆输出位移的放大能力,提出了一种基于二级杠杆和柔性铰链复合结构的新型双足压电直线电机。首先,对电机的作动原理进行分析,推导了驱动足轨迹方程。为提高其输出性能,对直圆型柔性铰链的参数进行了优化,得到最佳铰链参数为厚度th=0.2mm、切割半径Rh=1mm和宽度bh=10mm。最后,制作了该电机样机并进行了振幅、速度和负载性能测试,基于正交试验方法对电机速度进行了分析,得出电压对电机速度的影响更灵敏。实验结果表明,驱动足Ⅰ、Ⅱ的位移振幅分别在75μm和63μm附近波动,差值约为12μm;在120V、110Hz的信号激励下速度达16.163mm/s,最大负载能力为1.7N。与现有的压电直线电机相比较,该电机结构简单,易于安装调试,具有响应快、大振幅、速度大且运行稳定的特点。     

新型压电作动器驱动的直线电机驱动电源研究

基于压电作动器的大容性负载特性,通过电路匹配分析提出了基于直流升压变换器和谐振驱动控制电路;根据压电作动器驱动偏压要求,设计偏压电路使输出电压在-20~100 V之间;采用微处理器和D触发器设计驱动信号产生电路;将设计的驱动电源用于双作动器驱动的压电直线电机,电机运转平稳,电路功耗小,通过匹配不同的电感实现了宽频范围驱动.     

三角位移转换式压电直线电机

为了在保持电机精度的同时获得较大作动行程,提出了一种以叠层压电陶瓷作为激励振动源的压电直线电机。分析了电机的工作原理,推导了电机驱动足在工作时的运动轨迹。设计安装了电机样机,并对其定子进行了测试。最后,在两种激发条件下实验研究了电机的整机性能。结果表明:单组叠层压电陶瓷激励时,该样机定子驱动头在接触面法向和切向同时具有振动分量,并能够在阶跃和连续两种不同激励方式下实现单向大行程直线运动。以锯齿波激励时可实现步进运动,激励频率为20Hz时步距为0.1μm;以两路相位差π/2的正弦波激励时,可在1.5kHz到5.8kHz的激励频率区间输出稳定连续的直线运动,其运动速度随激励频率的升高而增大,在峰-峰值110V(50V偏置)的正弦电压激励下其推力可达4.8N。该电机具有高位置分辨率和宽频率响应,可以在两种工作模式下分别稳定地实现直线步进和大行程连续运行。     

多工作模式压电直线电机的设计与研究

提出了拥有多种工作模式的新型非共振式压电直线电机。对电机的核心部件定子结构进行了设计与建模,分析了其在3种工作模式(连续作动模式、交替步进模式以及单步作动模式)下的作动机理。对电机的布置形式、夹持机构以及预压力机构进行了设计与研究,利用有限元软件辅助分析了结构的机械强度。制作样机并分别在3种工作模式下进行了一系列实验。实验结果证明了多工作模式的可行性:在连续作动模式下施加电压为100V、频率为100Hz的正弦信号,电机输出速度为446.4μm/s;在交替步进作动模式下施加电压为100V、频率为100Hz的方波-三角波信号,电机输出速度为6 031μm/s;在单步作动模式下,电机作动单步步距小于同等条件下交替步进模式步距,当施加电压为30V、频率为1Hz脉冲信号时,其平均步距约为333.33nm。新型直线电机可以适应多种不同场合的工作需求。     

摩擦驱动型压电叠堆直线电机的工作机理

以一种典型的摩擦驱动型压电叠堆直线电机结构为例,对摩擦驱动型压电叠堆直线电机的振动摩擦驱动机理进行研究.结合电机系统的振动脱离模型,分析了电机定子与动子脱离的力学条件,进而分析电机结构参数和工作参数对椭圆运动和振动脱离性能的影响.对原理样机进行了试验研究,结果表明,压电叠堆的激励电压、激励频率和电机的预压力对电机的振动脱离性能有显著影响.     

采用耦合机构驱动的压电电机的研究进展

给出了压电电机的定义，按驱动方式对压电电机进行了分类；介绍了耦合机构驱动的概念及从蠕动驱动到楔蠕动驱动再到离合器驱动的发展过程，指出离合器驱动方式与传统的摩擦驱动方式相比，优点在于消除了摩擦损耗和易于进行精确的位置控制等；介绍了两种采用离合器耦合驱动的压电旋转型电机；分析了电机在研制过程中的技术难点在于消除或减小离合器回程间隙及位移放大机构等，指出耦合机构驱动的旋转型压电电机是今后压电电机发展的一个重要方向。     

压电陶瓷线性位移步进马达研究

详细介绍了当前国内外线性压电陶瓷马达的研究成果,对已有的这类马达进行了分类,并对它们的优缺点做了分析比较。介绍了当前该领域的研究热点以及新型纳米步进线性压电马达的广泛应用前景。     

驻波型超声波电机及其驱动系统的实验研究

根据振动理论和单相驱动驻波超声波电机的运行机理，进行了该类型超声波电机样机和驱动系统的设计。通过实验，分析了谐振频率、输入电压和预压力时电机特性的影响。     

螺旋驱动杆式行波型超声电机

设计了一种螺旋驱动杆式行波型超声电机,初步分析了其驱动机理。推导了螺纹牙型角与定子长度以及转子直径三者之间的关系,并以提高螺纹驱动效率为目标函数,确定了电机主要结构尺寸,优化了用于放大振幅的定子凹槽结构。加工制作了样机,并搭建了试验装置,测试了电机的主要性能参数。试验表明：电机实际工作频率为24.5kHz,与仿真结果基本一致;调节相差可实现正反转控制,启停灵敏;在220V驱动电压下,电机最大空载转速为40r/min,堵转轴向力为1.7N。     

交叉指形电极压电纤维复合材料的优化设计

交叉指形电极压电纤维复合材料是1-3型压电复合材料的新成员,以提高其驱动应变为目的,采用有限元软件ANSYS分析了其驱动特性,并给出了组分材料特性对驱动性能的影响规律。结果表明：采用低弹性模量、高泊松比的压电相和聚合物相有利于提高压电片的驱动应变;聚合物相的介电常数对驱动应变影响最大,采用高介电常数的聚合物相可以使其驱动应变明显提高。     

新型大推力直线超声电机运动机理及实验研究

针对一种蝴蝶形直线超声电机,详细介绍了其定子结构,分析了超声电机运行中所利用的定子对称振动模态和反对称振动模态及其合成的振动形态。建立了定子运动学模型,并分析了驱动足的运动轨迹,推导出驱动足表面质点椭圆运动轨迹方程。研制了蝴蝶形直线超声电机原理样机,电机驱动频率为495kHz,在预压力70N条件下,空载速度为075m/s,最大推力可达16N,是定子重量的22倍,最高效率达42%。     

用于微型飞行器的高转速超声电机

为了探索和实现超声电机在微型飞行器领域的应用,提出了一种微型高转速超声电机。该电机利用定子的面外弯曲振动模态,依靠接触摩擦驱动转子旋转,进而带动与之固连的旋翼高速运转。定子主体由基板和碳纤维管组合而成,碳纤维管竖直安置于基板中心,具有放大定子基板振幅的作用,碳纤维管的两端锥面作为电机的驱动面来驱使转子旋转,激励原件为四分区的环状压电陶瓷。利用有限元软件Ansys15.0对电机定子有限元模型进行了分析,并对电机尺寸进行了优化,确定了定子的工作模式并模拟了定子驱动端面质点的三维运动轨迹。实验样机的机械特性实验结果表明,在驱动频率为30.9kHz、电压为350V_(p-p)激励信号下,电机最大转速可达到5 520r/min,产生的最大升力达到14mN。结果表明,该超声电机具有高转速、高稳定性的特点,为进一步应用于微型飞行器奠定了基础。     

悬臂梁阀单腔压电泵设计方法研究

给出了悬臂梁阀单腔压电泵的理论分析,根据压电振子与流体耦合的理论,建立了压电泵系统的动态模型.分析了流体质量、输出压力和系统阻尼对压电泵最佳工作频率的影响,认为减小腔体高度可以提高压电泵的最佳工作频率,提高压电泵的稳定性.通过分析压电振子结构参数对变形量的影响规律,确定了振子的最佳结构参数,认为压电陶瓷层与金属基板厚度比取0.45～0.55,直径比取0.8～0.9最佳.研究了压电泵出流形式对压电泵输出能力的影响,认为轴後向出流有利于提高压电泵的输出能力.