微小型驻波超声电机定子振动特性的仿真分析

针对直径10 mm的两种驻波型超声电机定子的振动特性进行有限元仿真分析。利用ANSYS有限元软件建立定子的有限元模型,进行了振动模态及谐响应的仿真分析,获得定子的主要振动模态、模态频率及振幅。探讨了2种压电陶瓷及定子长度对其谐振频率和振幅的影响。研究结果表明,驻波型超声电机定子上斜槽或斜齿结构可实现模态转换,是实现电机驱动的关键。在分析的两种驻波型超声电机的8个定子中,采用PZT4压电陶瓷材料、长度16 mm的斜槽式超声电机定子的振幅值最大。     

盆架形压电振子同型模态驱动平面电机研究

为满足高精度平面运动的需求,提出了一种盆架形的平面超声电机,选取该定子的反对称纵向伸缩振动、左右方杆面内一阶弯振、前后方杆面内一阶弯振模态为工作模态,纵振模态与弯振模态复合形成xOz、yOz面的椭圆运动。该文阐述了电机的驱动原理,基于ANSYS分析软件建立了定子有限元模型,优化了结构尺寸,实现了干扰模态分离,进行了谐响应和瞬态分析,进行了运动调节特性分析。基于频率一致性优化得到盆架形定子的整体尺寸为53.136 mm×4.550 mm×4.560 mm,定子驱动足上x、y、z向振幅分别为2.0 μm、1.49 μm、3.36 μm,模拟出了椭圆运动轨迹,验证了该平面电机具有良好的运动特性,并给出了定子固定方式及设计了电机装配结构。     

口齿式定子驱动的平面超声电机特性分析

推出口齿形定子驱动的压电平面电机,选定子的面外弯振、面内横齿弯振、面内纵齿弯振作为工作模态,利用面外弯振分别与面内纵齿弯振、面内横齿弯振的振动耦合,分别在纵、横齿驱动足上生成沿xOz、yOz面行进的椭圆轨迹,以推动动子沿x、y向移动,阐明了电机的运动原理。基于频率一致性目标优化了定子尺寸,并厘定电机最适驱动频率为30 800 Hz。建立了定子机电耦合分析模型,计算出定子的瑞利阻尼,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2.1μm、2.6μm和2.0μm。探析了驱动电压、频率、相位差对电机振幅的影响。     

双H叉合式定子谐振驱动的压电平面电机研究

为满足应用领域对高精密平面运动驱动的需要,提出了双H叉合式谐振驱动的平面电机及其动力学结构,择取该定子的面外对称弯振、左右杆面内弯振、上下杆面内弯振模态为电机的工作模态,通过面外弯振模态分别与两相面内弯振模态进行谐振耦合,分别在定子上下杆和左右杆的驱动足上复合出沿xz、yz面行进的两椭圆轨迹以驱动动子的x、y向运动。建立了定子的机电耦合分析有限元模型,求取了定子工作振动模态,验证其预设工作模态的存在性。通过对定子进行频率一致性计算,得到定子的主要尺寸为30 mm×8.7 mm×7.4 mm;通过定子谐响应分析,解算出其干扰模态特性,实现了干扰模态分离。通过定子瞬态振动响应计算,模拟出驱动足的两相椭圆轨迹,求得250 V驱动电压激励条件下的驱动足x(或y)和z向振幅分别为1.5μm和1.3μm,验证了电机工作原理并探析其调压、调频和调相振动特性。给出了定子夹持固定方式并完成了电机装配结构设计,该电机具有良好的动力学特性和应用前景。     

四音叉定子驱动的压电旋转电机动力学特性

提出基于四音叉式定子驱动的旋转超声电机,选定定子的一阶面外弯振与二阶面内弯振为工作模态,复合形成旋转运动。阐明了电机驱动机理,基于频率一致性优化得到音叉杆尺寸为24 mm×4.2 mm×5 mm,公共部分尺寸为12 mm×12 mm×3 mm。建立电机的有限元(FEM)模型,对电机进行谐响应分析,排除激励时产生干扰模态。采用激励信号幅值为250 V、频率为28 000 Hz对电机进行瞬态分析,得到动足的x、y、z向振幅分别为1.4μm、0.8μm和1.2μm。对电机进行运动特性分析,验证了该旋转电机具有良好的调频、调压、调相特性。     

一类行波型直线超声电机定子的优化设计

针对一类环形行波型直线超声电机定子的动态设计提出一种间接优化方法。数值研究表明，该优化方法能保证定子存在按设计所需的正交的弯曲振动模态。对自行研制的直线超声电机定子，进行了激光测振，实验结果表明定子的弯曲振动固有频率差的设计计算值与相应的共振频率差的测试值吻合。     

行波型方孔定子超声电机结构设计与性能分析

该文提出了一种新型的方孔定子行波超声电机,并进行了参数设计、仿真分析和实验研究。定子由1个方孔金属体和4块压电陶瓷片组成,通过与直径大于定子内边长的转子配合发生弹性变形,从而对转子产生预压力,便于驱动。利用有限元软件对定子进行模态分析,选择第三阶模态作为工作模态,得到定子最大振幅与激励频率、电压、壁厚、边长及圆角半径的关系,并研究了频率、电压及预压力对转子输出特性的影响。制作了实体样机并测试了其输出特性,测试表明,当电压为100 V、激励频率为31.5 kHz时,其空载转速为215 r/min,堵转力矩达到1.58 mN·m。     

基于有限元法的开关磁阻电机磁场特性分析

为了准确掌握开关磁阻电机的磁场特性,建立了其磁场二维模型,采用电磁场有限元方法对开关磁阻电机的磁场分布特性和参数进行分析计算。结果表明：在定子齿极与转子齿极完全不重合时,有限元分析因端部磁场的作用产生较大的误差,相对误差约为40%;随着定子齿极与转子齿极重合量的增加,有限元的计算误差逐步减小,到对齐位置时,漏磁很小,自感漏磁几乎为零。研究结果为电机结构的优化设计提供了理论依据。     

发电机仿真分析及优化设计

为建立更加精确的汽轮发电机定子端部的有限元模型,以汽轮发电机定子绕组的汽端为研究对象,用有限元分析法进行模态分析。结合模态试验测得的数据,分析误差来源,选择有限元模型修正参数。基于Ansys Workbench仿真软件的优化模块对修正参数进行灵敏度分析,保留灵敏度高的参数,并对保留的参数进行优化分析。研究结果表明,经修正后的有限元模型能准确地反映该结构真实的动力特性,且仿真模态与试验模态之间的误差减小在5%以内。     

行波型球形超声电机定子的优化设计

提出了一种具有同步调心结构的球形超声电机,建立了电机驱动力矩的数学模型,重点对行波型定子进行结构优化设计。利用ANSYS对定子进行模态分析和谐响应分析;通过灵敏度分析确定结构参数优化变量,以最大干扰模态与工作模态频率差和最大定子表面振幅为优化目标,建立设计空间的响应面模型,采用多目标遗传算法(MOGA)进行优化求解得到Pareto前沿,最终确定结构参数并对定子试制件进行定扫频实验。测试结果表明,优化后的定子工作模态频率±2 kHz内无干扰模态产生,且定子两相驻波表面质点具有较大振幅,满足使用要求。     

含有残余应力的超声电机定子有限元分析

为研究炮弹发射过程中高速过载冲击所产生的残余应力对舵机超声电机定子的影响,该文采用有限元ANSYS对超声电机定子进行过载冲击仿真分析,加载高过载加速度使其内部产生残余应力,并在超声频率段(30～50 kHz)内进行模态分析.初选定工作模态,当频率段为39～42 kHz时,在模态分析的基础上进行谐响应分析,进一步验证初选...     

一种圆筒型转子的中空型超声电机的研制

针对某些飞行器舵机控制系统需要旋转型超声电机具有中空结构、转子与负载结构融合以及具备一定的保持力矩等特定工程技术需求,该文提出了一种圆筒型转子与舵翼结构一体设计(外圈输出)的中空型超声电机,开展了该型电机的结构及预压力施加方案的设计和试验研究。建立了电机定子的有限元模型,分析了不同结构尺寸对定子模态的影响,进行了结构尺寸的灵敏度分析,优化了定子的结构,计算出其共振频率、振动幅值。最后试制出了原理样机。实验表明,在激励电压为450 V,激励频率为40.2 kHz时,样机的空载转速可达208 r/min,堵转力矩可达0.35 N·m。     

单相无刷直流电机的设计分析与建模仿真

文中针对单相无刷直流电机结构设计及驱动方式展开研究,推导出电机理想工况下的基本方程,根据工程实际需求并结合无刷直流电机的设计原则确定该电机的设计方案。利用设计方案设计一台额定功率38 W,额定转速750 rpm的单相无刷直流电机,并分析了渐变气隙对电机起动性能和齿槽转矩的影响,确定了最优气隙长度。通过对比单极性绕组和双极性绕组形式的优缺点确定绕组形式,结合传统电机设计公式确定绕组匝数。文中利用有限元法初步验证了设计方案的合理性。根据电机动态数学模型在Simulink环境中搭建了电机系统的模型,仿真得到电机的转速、转矩变化曲线,结果与理论分析吻合良好,验证了电机设计方案的合理性和电机模型的有效性。     

SAMCEF在超声波电机设计中的应用

在微机电领域中,为获得超声波电机的振动模态及谐响应特性,利用SAMCEF有限元分析软件对直径为50 mm的环形行波型超声波电机压电转换器和定子的振动状态进行了分析;在完成超声波电机定子建模的基础上,进行振动模态分析和最优模态选择,并在此基础上进行了谐响应分析。分析结果表明,利用SAMCEF软件对超声波电机进行分析被证明是一种行之有效的方法。     

大直径超声压电驱动器定子支撑的研究

定子支撑对大直径超声压电驱动器的振动模态产生影响,从而对驱动器的输出特性和运行特性产生影响。结合有限元和理论分析对定子的幅频特性进行分析,进一步得出输出转速和转矩与支撑尺寸的变化曲线,从而定量分析支撑尺寸的改变对驱动器输出特性的影响。结果表明,定子支撑尺寸的改变对转速和转矩产生了影响,但转速和转矩的变化范围在6%内,故在设计大直径超声压电驱动器定子时,可通过改变支撑尺寸确定驱动器最优工作模态,而不会对驱动器输出转速和转矩产生较大影响。     

New design of hybrid-type self-bearing motor for small, high-speed spindle

A new structure of hybrid (HB)-type self-bearing motor is proposed for miniature spindle motors. The proposed design combines the HB-type self-bearing motor and HB active magnetic bearing in the common stator and rotor pair to generate large radial forces. First, the principle and theoretical background are introduced. Then, the air gap flux is analyzed by the finite element method, and radial forces for the proposed and standard-type HB self-bearing motors are compared. Finally, experiments are conducted to confirm the performance of the proposed motor. The motor can run at relatively high rotating speed with relatively high torque compared with its small size. The levitation is very stable and the motor indicates good performance for practical application.     

旋转型行波超声电机定子的结构优化

为了提高旋转型行波超声电机定子的驱动能力,延长电机的使用寿命,设计了一种带有辐射板的定子,根据辐射板与基体的连接方式共分为a~e 5种结构。基于ANSYS软件建立了定子结构的有限元仿真模型,对其进行了模态分析和谐响应分析。在对比5种结构性能的基础上,以电机的输出性能最佳为目标函数,对定子结构的辐射板槽宽w、外径d及厚度t 3个参数进行了优化,得到定子的最佳结构为a,即辐射板与基体连接长度为1mm,尺寸分别为:w=1.8mm,d=72mm,t=0.5mm。该优化结果可为旋转型行波超声电机定子的加工制作提供参考尺寸。     

基于解析模型的永磁同步电机优化设计

永磁同步电机的电磁转矩和涡流损耗是两个重要指标,在体积等限制条件下,有效提高电磁转矩并降低转子涡流损耗是电机设计的关键。针对这个问题,文中采用解析法,分别计算电磁转矩和涡流损耗,并采用粒子群优化算法,对电机尺寸参数进行优化设计。解析模型包括电枢反应磁场和空载磁场模型。在计算涡流损耗时考虑涡流反应、永磁体周向分段等,优化算法的目标函数并使用权值将多目标转换成单目标。通过解析解与时步有限元数值解的对比可看出,解析解的误差在2%左右。参数影响分析的响应面显示,在定子绕组节距为25°时,电磁转矩和涡流损耗相关性一致。优化迭代结果显示,优化设计降低了76%的平均涡流损耗、22%的平均电磁转矩和68%的电磁转矩波动。