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。     

新型面内纵-弯复合型直线超声电机研究

为了找到一种推重比大、更利于微型化的定子结构,设计并研制了一种面内纵-弯复合型直线超声电机。探讨了该型电机的工作原理及定子驱动足椭圆轨迹形成条件,并利用有限元分析软件对定子结构进行优化设计。制作了样机,且验证了电机设计的可行性和合理性,并开展了定子驱动足振动性能和电机输出性能的实验研究。结果表明,在激励电压峰-峰值200 V、预压力20 N、激励频率45.7 kHz、相位差90°条件下,电机左、右运行的空载速度分别为0.25 m/s和0.22 m/s,最大推力为3.4 N,推重比达47(定子质量为7.36 g)。与面内纵-弯直线超声电机原型样机相比,开槽定子的驱动足振幅增大,电机输出速度和推力显著提高(空载速度提升了51.5%,最大推力提高了36%),有利于直线超声电机的微小型化。     

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。     

行波型超声波电机等效电路建模

该文在深入分析超声电机运行机理的基础上,从定子、接触区域和转子3方面建立了超声电机等效电路模型。综合现有超声电机等效电路模型的优缺点,考虑摩擦耦合对超声电机的影响,并结合转子振动方程,提出了摩擦层与转子的等效电路模型;对转子侧等效模型进行优化,使其与定子模型结合成完整的电机模型。基于所建立的模型理论,对等效电路进行仿真,仿真结果表明了转子对整个电机电气特征的影响。通过对实际超声电机的测试及其与仿真波形的对比,验证了所提出的行波型超声波电机等效电路模型的正确性,为进一步开展超声电机驱动器和控制器的设计提供了模型基础。     

单相驱动旋转型驻波超声电机的运动机理

尽管单相驱动的旋转型驻波超声电机的原型样机早已研制成功,但对这类电机的运动机理的研究却一直局限在定性研究上。对于单相驱动的旋转型驻波超声电机来说,定子上的齿是运动传递的关键部分。因此对齿的运动特性的研究对进一步研究定、转子的摩擦接触过程有很重要的意义。以单相驱动的旋转型驻波超声电机为研究对象,通过假设定子的振动模态法对单相驱动的旋转型驻波超声电机的定子上的齿的运动特性进行了理论推导,并作了计算机仿真研究,得出了齿的运动轨迹以及速度曲线。     

行波型杆式超声电机定子模态干扰的研究

行波型杆式超声电机定子模态干扰会造成电机工作效率低下,不稳定,难以控制等问题。首先利用有限元法和Hamilton理论,建立行波型杆式超声电机定子的动力学有限元模型;其次进行模态分析,求解各模态频率对定子结构参数的灵敏度,以此为依据进行结构参数调整,实现定子工作模态与干扰模态分离;最后制作了定子样机。其模态试验结果表明达到了模态分离的目的:定子工作模态频率至少在2 kHz范围内不存在其他干扰模态,从而验证了该方法的有效性。     

基于微机械工艺的平面微电机的研究

为提高微电机的输出力矩，增加微电机散热能力和电流密度，提高电机工作效率，设计了一种具有双转子结构的平面微电机。两个转子对称分布于定子两侧。转子采用永磁体进行轴向充磁。定子为平面线圈，是采用硅微机械加工技术和LIGA工艺制作的。线圈之间则采用了三相星形连接方式，线圈结构为平面型、无槽、集中绕组。把制作好的定子和转子装配后通以三相方波电流进行驱动，通过对其输出力矩和转速的测试证明电机运转良好。     

一种控制力矩陀螺用双频驱动的超声电机

控制力矩陀螺的框架电机要求控制精度高,机械响应快,转速低,质量小,能适应高真空、高温差的工作环境。为满足上述需求,该文为控制力矩陀螺设计了一种异型模态超声电机,用以驱动力矩陀螺框架。并基于有限单元法计算及优化了样机外形尺寸,完成电机速度特性和负载特性的测试及优化。结果表明,该超声电机由超声电机定子、力矩陀螺转轴、基座组成。定子通过铰链固定于基座,弹簧机构对其施加预压力。超声电机质量25 g,最大输出扭矩0.04 N·m,满足控制力矩陀螺的使用要求。     

圆柱弯曲型超声电机定子的结构优化

为满足圆柱弯曲型超声电机定子的结构设计要求和改善现有的设计方法,该文采用参数化设计语言ADPL自编制的优化设计程序对定子结构进行了优化,并制作出定子直径30 mm、长34 mm的圆柱弯曲型超声电机原型机.优化计算与实测结果表明,压电陶瓷片的中心位置十分接近于定子弯曲振型的波谷中心,定子驱动端与末端振幅比值的计算值与实测值基本吻合.     

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。     

压电叠堆驱动式超声电机设计

该文研究了拟发挥压电叠堆大输出力的特点,并提出了一种压电叠堆驱动的超声电机。电机定子由压电叠堆与金属弹性体结构组成,定子在交变激励信号下产生行波振动,并通过摩擦耦合驱动转子旋转输出。该文制作了样机,并搭建了实验平台。测试结果表明,电机转速与驱动电压呈正相关关系。当驱动电压峰-峰值为310 V时,电机最大输出转速为42.55 r/min,输出扭矩为0.8 N·m。     

基于半功率带宽法的行波超声电机谐响应分析

该文以本单位研制的中空行波超声电机定子为对象,进行了有限元建模及谐响应仿真,发现定子阻尼比的设置对仿真结果的准确性影响较大。通过多普勒激光测振系统测得定子模态参数,利用半功率带宽法求出定子模态阻尼比,代入模型后仿真跟实测结果基本吻合,工作模态B_(011)频率仿真误差为1.66%,振幅仿真误差为4.61%。将定子齿特征参数化,分析了齿距和齿高对定子模态的影响。根据低转速、大扭矩的电机设计目标选取了合适的齿参数,加工出新定子实物。基于同样阻尼比再次进行有限元仿真并对新定子进行激光测振,对比得到工作模态B_(011)频率仿真误差为0.62%,振幅仿真误差为1.94%,验证了有限元谐响应仿真的准确性。此外,对原定子和新定子组装的电机进行性能测试,后者最高空载转速降低了30%,堵转扭矩提升了20%,符合预期设计。准确的参数化有限元模型有助于促进超声电机的快速化设计,提高了对符合电机目标功能的设计参数的选择效率。     

基于扭纵复合型超声电机动力学模型的模拟计算

基于动力学原理，利用一种新的扭纵复合型超声电动机的动力学模型，模拟计算了扭纵复合型超声电动机的转速、转矩、效率和响应时间等特性。计算结果揭示了预压力、定子两路振动振幅等输入参数对负载特性的影响。此外，转子运转的响应时间与负载力矩间的关系也可由模拟计算导出。利用该模型对所研制的复合型超声电机实验样机进行的计算结果与实际测量结果基本相符，验证了该模型及相应数值计算方法的可靠性。利用该模型首次计算出定，转子接触与分离点的不对称特性。     

一种新型旋转超声电机驱动控制试验系统

介绍了一种新型旋转超声电机即压电定子和压电转子振型嵌合式旋转超声电机驱动控制试验系统。系统以LabVIEW作为开发平台,通过DAQ板卡和外围电路的设计进行输入输出采集与控制。该系统能输出幅值、频率、相位可调节信号,通过光电编码器检测超声电机转子位置反馈给系统用以保证电机下次启动时保持定转子振型嵌合位置关系。试验结果表明,该试验系统完全满足此新型旋转型超声电机驱动控制试验要求。     

基于盘型对称驱动的惯性冲击旋转压电马达

该文提出了一种基于盘型对称驱动的惯性冲击旋转压电马达。该马达主要由定子、转子、驱动足和预紧装置组成。马达激励信号为锯齿波信号,采用压电叠堆激励实现马达高功率输出。马达通过螺杆将定子与预紧装置装配于一体,实现了马达结构紧凑化与微型化。设计加工了马达样机并通过实验验证了马达的工作原理,对马达的综合性能进行了分析和测试。测试结果表明,当马达预紧装置施加的预紧力为1 N,输入激励电压峰-峰值为80 V,激励信号频率为1 kHz,且每输出一个周期锯齿波,激励信号延迟100 ms再输出下一个,以研究马达静态启动特性和步长,测得马达的最大空载速度达到3.05 r/min,平均步长为0.032 rad;激励信号频率为3 kHz时,马达的最大空载速度达到9.1 r/min,马达最大负载可达16.2 N·mm;马达在0.5~3 kHz激励信号频率范围内均可实现转动。     

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...     

一种新型多定子直线型超声电机的研究

直线型超声电机具有可直接驱动、精度高、响应快、适用于真空环境等优点，但驱动力较小。为提高工作台的负载能力，该文提出并研制了一种多定子直线型超声电机。样机由两个定子和一个动子(与工作台台面相联)组成。定子是一个利用1阶纵振和2阶弯振、带双足的兰杰文振子，双足交替驱动。讨论了该电机的驱动机理，对定子的结构进行了优化设计，给出了定子、动子、工作台一体化的设计方案，并对电机的输出性能做了初步的实验研究。     

Performance of induction motor with free-rotating magnets insideits rotor

This paper presents a new induction motor that has free-rotating magnets inside a rotor. The magnets can revolve freely against the rotor with the shaft. In this motor, the airgap flux is provided by both rotating permanent magnets and the stator coil current. A prototype motor was fabricated by modifying the rotor of a conventional three-phase four-pole 400 W squirrel-cage induction motor. The experimental results of a prototype motor showed superior performance in comparison to conventional motors in terms of the power factor, efficiency and torque characteristics. The power factor can be controlled to be unity, leading or lagging by changing the supply frequency and/or source voltage. The efficiency of the motor, over a wide output power range, is remarkably higher than that of the same size conventional induction motor. A high torque can be obtained in a high speed area     

A new pneumatic vanes motor

A small pneumatic motor has been developed as an alternative to electric motors for machining processes at small dimensions with potential use in micromachines and microfactories. The novelty of the present design is based mainly on the use of vanes made of self-lubricating material and pressurized air supplied through a series of holes of a rotating hollow shaft for keeping the vanes in contact with the inner wall of the stator avoiding the use of springs. The pneumatic prototype was extensively characterized in terms of the locked rotor torque, brake power, no-load speed and the volumetric efficiency.