共阶梯轴双定/转子超声电机的极端环境试验研究EI北大核心CSCD

为了进一步扩展超声电机在航空航天领域的应用范围,综合研究了共阶梯轴双定/转子超声电机在极端环境下的输出特性。对于这种性能优越的新型超声电机,制作了适用于极端环境的试验样机,进行了真空、高/低温复合环境以及振动环境环境试验研究。探讨了各种环境因素对电机性能的影响。结果表明,真空、高温、低温、振动等环境因素会对电机输出性能产生不同程度的影响,共阶梯轴双定/转子超声电机具备一定的极端环境适应性。该研究为超声电机在航空航天领域的广泛应用提供了参考。     

预应力对超声电机定子振动影响分析

为揭示预应力对超声电机定子振动特性的影响,准确分析电机的输出性能,对行波旋转型超声电机定子结构在有、无预应力两种状态下进行了模态分析,研究了预应力对超声电机定子振动固有频率和振幅的影响,提出了模态"纯"度的判别标准,分析了预应力对模态混叠的影响。结果表明:预应力增加了超声电机定子振动的固有频率,增大了定子振动的振幅,能够有效抑制电机模态混叠现象。     

高温环境下旋转型行波超声电机性能研究

行波型超声电机适合用于宇航搭载设备驱动器，因此必须对其进行包括高温环境的特殊环境下的性能研究。通过对行波型旋转超声电机在高温环境下进行了机械性能测试，得到了超声电机高温环境机械特性：超声电机的空载转速有所下降，但最大力矩随着温度的升高而增大，在70 ℃时，超声电机的堵转力矩达到最大，在80 ℃时，堵转力矩微降。分析了超声电机各个部件在不同温度环境下性能的变化对超声电机机械特性的影响：电机定子和压电陶瓷在高温环境下对电机的力矩和转速有提升作用；定、转子的摩擦界面在高温环境下对电机的力矩和转速起降低作用；预压力使超声电机的力矩起增加，但使电机转速下降。     

基于杆纵振的直线超声电机研究

根据当前直线超声电机的特点,研制了一种新型的基于杆纵向振动超声电机,分析了电机的工作原理,并做出了样机.实验证明电机在施加合理的电压信号下能够实现往复的直线运动.     

基于结构对称性的新型直线超声电机的研究

针对小型超声电机两自由度驱动功能的需求,分析了两种对称性结构的振动特性,及其在超声电机中的典型应用方式和电机工作原理;并基于两种对称性,设计了一种通过低刚度梁串联组合换能器结构,通过对电机振动特性进行有限元仿真,阐明了工作原理,进而设计、组装了一种新型超声电机并进行了性能测试及分析。新型电机采用了多种模态复合激励的方式,实现了平面两自由度的驱动功能。     

“工字形”直线超声电机的结构设计与模态分析

为了提高直线超声电机的输出性能,研制了纵弯复合模态“工字形”直线超声电机,对“工字形”弹性体的几种复合振动模态及其驱动方案进行了分析,确定了振子的工作模态。完成了“工字形”振子的结构设计,利用ANSYS软件对“工字形”压电振子进行了优化设计,确定了定子各结构参数。纵向伸缩振动模态固有频率和弯曲振动模态固有频率分别为33.07kHz和33.08kHz,频率差8Hz。根据优化设计结果,试制了原理样机。对样机的输出性能进行了实验研究。实验结果表明:当驱动频率为31.10 kHz,激励电压峰峰值为250V时,电机动子Vmax为240mm/s;驱动力Fmax为0.5N。     

基于振动特性和电学特性的行波超声电机非线性带载骤停现象研究

当前航空航天领域内对超声电机,特别是行波型超声电机(下文简称超声电机)的需求越来越大。而超声电机在使用过程中的非线性现象导致的问题越来越突出。目前亟待解决的超声电机非线性问题是超声电机工作在一定的扭矩负载(小于堵转扭矩)状况下会出现突然停机的现象。该文分别从振动特性和电学特性分析了电机的骤停现象,提出行波型超声电机负载扭矩增加会导致电机定子阻尼和刚度同时增加,从而导致振动阻尼比减小。电机定子振动阻尼比减小会导致电机实际的共振频率升高。同时,负载增大会导致电机系统在同一频率下的阻抗模减小,使得电机实际的共振频率进一步升高。电机驱动频率不变,当电机实际的共振频率升高并从低到高穿越电机驱动频率时,超声电机会出现骤停现象。实验证明,负载扭矩增加导致电机系统阻尼比减小和电机系统阻抗模减小是影响到电机带载骤停的根本原因。     

新型塔形直线超声电机

提出一种塔形双模态直线超声电机。它由塔型定子和导轨组成,塔型定子由6片压电陶瓷(piezoelectric lead zirconate titanate ceramic,PZT)粘接在金属弹性体上构成。定子利用y-z面内对称振动模态激发驱动足的法向振动,利用x-z面内2阶弯振模态激发驱动足的切向振动。由于驱动足的法向振动和切向振动存在90°的相位差,从而在其驱动足处形成椭圆运动,推动导轨运动。讨论电机支撑位置与激振方式和位置,研制了电机样机及其实验装置。提出了一个新观点:电机工作性能与定子在接触边界条件下的频率一致性有关。通过接触边界条件下的模态实验确定了电机的最佳工作点,并在电机的最佳工作点附近进行了机械特性实验。实验表明,在激励电压峰峰值为500 V、预压力6 N下,该电机最大空载速度为980 mm/s,最大输出力1 N,定子质量为20 g,推重比(输出力与定子重量之比)达5。     

维持超声电机工作状态恒定的驱动控制器

驱动控制是超声电机性能提高和工程应用的关键技术之一。基于行波型超声电机的工作机理,分析因为外界环境因素(如温度的改变,驱动电压的改变)的变化对超声电机工作性能的影响,开发了一种通过稳定超声电机一相驱动电压与孤极反馈电压的相位差,从而保持电机工作状态恒定的新型驱动控制器。从硬、软件2个方面设计基于单片机的超声电机恒工作状态控制系统,并进行了实验验证。结果表明,此种通过稳定相位差的新型超声电机驱动控制器,基本可以达到维持电机恒定工作状态的目的。     

直线驻波型超声电机的接触分析和堵转推力模型

摩擦界面对超声电机的性能有至关重要的影响。文章针对一种基于面内振动的直线驻波超声电机,结合电机的工作振型,对电机的定、转子的接触过程进行了详尽的论述,建立了堵转情况下的最大输出力模型;并进行了仿真研究。通过仿真可以得出超声电机的堵转推力受定、转装配间隙的影响最大。在电机已完成制造的情况下。如要得到较大的堵转推力,可适当调整定转子的装配间隙。     

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。     

微小型纵弯复合激励式圆筒超声电机的设计

为了有效提高超声电机的机械输出性能,研制了一种微小型贴片式纵弯复合激励式圆筒型行波超声电机。该电机由圆筒和一个纵弯复合换能器组成,换能器位于圆筒的外侧壁上,换能器由一对弯振压电陶瓷片、一对纵振压电陶瓷片和前端为变幅杆的长方形铝块组成。对电机的工作原理进行了分析,利用有限元方法对电机进行了设计与仿真,实现了电机两个基本振动模态特征频率的简并。对振动特性进行了测试,测试结果与有限元分析结果吻合良好。测试结果表明,换能器的纵振、弯振和圆筒弯振模态之间均实现了很好的匹配。。     

能量回馈型超声波电机定子振动特性有限元分析与特性测试

提出一种集精密驱动和振动能量采集于一体的新型多功能压电振动电机——能量回馈型超声波电机,设计了电机夹心式内锥面压电定子,建立了电机压电定子的有限元模型,仿真分析定子振动特性和能量采集输出特性;研制电机原理样机,并对电机进行阻抗和能量采集特性测试与分析。研究结果为工作在极端封闭环境中的微型机器人系统提供一种集驱动与供电一体化的机电器件。     

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。     

卧板式直线超声电机的特性分析模型

直线超声电机摩擦接触特性对电机性能的影响很大,直线超声电机的摩擦驱动机理往往不同于旋转超声电机,无法应用旋转超声电机的接触模型对其进行分析。针对一款卧板式直线超声电机,基于弹性接触理论建立了其摩擦接触分析及特性预估模型。该模型考虑了施加预压力后定子工作状态的改变,以及定、动子相对滑动速度差对摩擦力的影响。利用所建立的模型,对卧板式直线超声电机的机械输出特性进行了仿真计算,并分析了定子振动特性、预压力、接触界面摩擦特性、施加预压力弹簧刚度特性、驱动频率等参数对电机机械特性的影响。制作了样机,并对样机的机械性能进行了测试。试验结果表明,所建立的模型对直线超声电机特性的估算是有效的,可以为直线超声电机的设计和特性分析提供参考。     

环型行波超声波电动机的分析与设计

分析和设计了一个环型行波超声波电动机。用有限元分析软件ANSYS对定子的压电陶瓷金属复合板进行了详细的模态和谐响应分析，通过分析和比较，振动模态（0，6）被选为工作模态。制作出了电机并检测了其性能指标。     

多振动片式驻波型超声波电动机及其实验研究

从振动理论出发，在单片式回转型超声波电动机的基础上，设计制作一台新型多片式超声波电动机的样机，通过对样机的性能进行测试，分析了电动机的谐振频率、输入电压和预压力对超声波电动机性能的影响，得出了提高超声波电动机性能的关键参数。     

一种矩形振子新型压电直线电机

分析了振子面内弯曲模态的激发原理及电机的驱动机理。通过Ansys分析计算,得到了压电振子面内两种弯曲模态的频率,并对压电振子及电机结构进行了设计。研制了一种基于矩形复合层板面内弯曲模态压电直线电机,并进行了相应的实验研究。研究表明：当激励信号电压为380 V,频率为65.2 kHz时,电机最大运行速度约为458.3 mm/s,驱动力为2.2 N,且正反向运行良好。     

一种新型压电超声直线电机的研究

介绍一种利用层叠压电元件轴向伸缩振动的压电超声直线电机的工作原理、驱动方法,并设计、制作了电机样机,对电机进行了性能测试。该电机的振动体为棒形,移动体是与振动棒圆柱面接触的一个圆柱环。利用振动体的轴向伸缩振动即可实现移动体的前后移动,改变驱动信号的频率,可改变移动体的移动方向。这种电机结构简单、驱动电源为单相,容易实现小型化。而圆柱面接触增加了电机的推力,使该电机更易于实用化。非常适合用于物体精密定位、精细物料输送或振动切割工具。     

短柱型超声波电机两相振动频率的简并

柱体型超声波电机依靠圆柱定子的弯曲振动驱动转子旋转。柱体型结构电机的激振效率高，装配工艺简单，有着十分广阔的应用前景。该文研究的是一种新型短柱型超声波电机，介绍了它的结构和运行机理；分析了不同边界条件下该电机的振动特性；采用弹性支撑和改变压电陶瓷激振方式，实现了电机两相振动频率的简并。