纵弯复合型直线超声电机振动模态有限元分析

介绍了纵弯复合型直线超声电机的结构和工作原理，运用Ansys7．0有限元分析软件建立了该直线超声电机的有限元计算模型，对于纵向、弯曲振动模态的简并进行了分析，归纳了电机结构参数对驱动振子谐振频率的影响以及实现纵向和弯曲两种振动模态简并的一般规律。有限元计算结果与原型样机实验测试结果的比较表明，在自由边界条件下，有限元分析结果与实测结果完全一致。研究结果为利用有限元方法进行纵弯复合型直线超声电机设计提供了依据。     

面内纵振复合模态直线超声电机模态识别方法

为识别一类纵振复合振动模式超声电机定子的工作模态,为优化定子动力学设计提供依据,提出通过局部振型相关分析识别电机定子的模态识别方法.首先,分析了纵振复合模态超声电机定子的工作模态,结合激光多普勒测振系统原理分析了面内振动模态识别的难点;其次,在电机定子动力学分析的基础上,提出了通过振子底端局部振型识别工作模态的方法;最...     

工作模态控制解耦的塔形直线超声电机

针对现有塔形超声电机无法相互独立控制法向和切向振动等实际应用问题,提出了一种工作模态控制解耦的塔形直线超声电机。塔形电机设计有两个非共面的正交工作模态,分别为用于独立控制法向振动的x-z面内对称振动模态以及用于独立控制切向振动的y-z面内弯振模态。相应设计了压电陶瓷片的极化布置方案,即塔形电机的压电陶瓷片分为A,B两相,其中A相用于激励x-z面内对称振动模态,B相用于激励y-z面内弯振模态。通过对电机A,B两相相互独立控制就可以实现两个非共面正交工作模态的控制解耦。实验表明,在解耦控制条件下,当A相电压固定为400Vp-p,B相电压在0~400Vp-p变化时,电机运行速度与B相电压成正比,最大运行速度为420mm/s,最小运行速度为23mm/s。     

工作模态控制解耦的塔形直线超声电机

针对现有塔形超声电机无法相互独立控制法向和切向振动等实际应用问题,提出了一种工作模态控制解耦的塔形直线超声电机。塔形电机设计有两个非共面的正交工作模态,分别为用于独立控制法向振动的x-z面内对称振动模态以及用于独立控制切向振动的y-z面内弯振模态。相应设计了压电陶瓷片的极化布置方案,即塔形电机的压电陶瓷片分为A,B两相,其中A相用于激励x-z面内对称振动模态,B相用于激励y-z面内弯振模态。通过对电机A,B两相相互独立控制就可以实现两个非共面正交工作模态的控制解耦。实验表明,在解耦控制条件下,当A相电压固定为400Vp-p, B相电压在0~400Vp-p变化时,电机运行速度与B相电压成正比,最大运行速度为420 mm/s,最小运行速度为23mm/s。     

超声电机技术的发展和应用

回顾了超声电机的发展和应用情况,叙述了超声电机的特点,总结了超声电机的分类方法,指出了超声电机技术的发展趋势。针对我国超声电机技术开发和研究现状,提出了我国超声电机产业化进程中亟待解决的一些关键问题。     

四足直线超声电机模态频率一致性调节

在分析四足直线超声电机工作机理的基础之上,指出超声电机定子两工作模态频率不一致会影响超声电机的输出性能和效率。针对这一问题,根据初等结构摄动理论,结合四足直线超声电机定子动力学方程,借助有限元分析软件,找到了调节四足直线超声电机定子两相工作模态频率一致性调节的合理位置,以及对该位置进行修改时修改量与定子两工作模态频率差值的关系。对某一样机定子进行了频率一致性调节试验,该样机定子两相模态频率差值从调节前的400Hz减小到82Hz。试验结果表明,采用这一方法对四足直线超声电机定子模态频率进行一致性调节是方便且有效可行的。     

基于面内复合模态的直线超声电机振子有限元分析

提出了一种新型的矩形压电复合板直线超声电机,它除了具有直线超声电机的共同特点之外,还具有自身的薄、小、轻、驱动力大等突出特点,可直接用于计算机硬盘磁头驱动等外设装置。该矩形压电复合板直线超声电机利用矩形压电复合振子平面内的两种弯、弯振动模态合成。在一定预紧力作用下,矩形板的两侧边将产生驱动力使动子移动。本文通过ANSYS有限元分析软件对矩形压电复合振子进行了详尽的模态分析,分析讨论了结构参数及弹性体材料对于矩形压电复合层板模态的影响,为利用面内复合模态的矩形压电复合板直线超声电机的设计奠定了基础。     

新型惯性式直线超声压电电机的运动机理及实验研究

提出了一种新型惯性式直线超声压电电机.该电机利用压电晶体的逆压电效应和惯性位移原理,由定子的轴向变形,通过摩擦力的作用,以惯性位移的形式传递运动.它由两部分组成,定子由具有位移放大功能的压电复合换能器和轴组成,动子为一带有缺口和环形凹槽的环.分析了该电机的工作原理,并通过仿真和实验相结合的方法分析了两种激励方式对电机性能的影响.实验结果表明:样机采用方波驱动比采用锯齿波驱动的效果好;在采用方波驱动信号驱动时,样机的最大空载速度可达到11 mm/s,最大输出力达到0.5 N.     

新型行波直线超声电机的结构与有限元分析

提出了一种新型行波直线超声电机结构,该电机利用2个固有频率接近的面内弯曲模态叠加形成沿周向传播的行波,从而驱动动子做直线运动。首先,基于有限元法建立了考虑定、动子三维接触的整机动力学模型,对定子结构尺寸进行设计;其次,通过该模型分析了定、动子之间的接触力传递过程、电机的驱动机理、电机稳定运行时驱动足的椭圆运行轨迹、电机的启停特性以及不同输入参数下电机的输出性能等动力学特性;最后,试制原理样机,搭建实验平台对电机性能进行测试。研究结果表明：该电机工作原理可行,机械输出性能良好;所建立的有限元模型合理,使用该模型能预测电机的性能,并进一步指导电机的设计及优化。     

蝶形双驱动足直线超声电机设计及实验

提出了一种新型双驱动足直线型超声电机.该电机利用联接成一体的两个振子的对称振动,在驱动足端面质点上可获得定/动子之间接触面的切向运动;利用反对称振动,可获得法向运动.同时,激励振子的对称和反对称振动在两个驱动足端面质点上町形成相同方向椭圆运动轨迹,从而驱动压在定子上的动子直线运动.采用有限无法分析了共振频率对结构参数的灵敏度,根据各灵敏度大小适当地调节了结构参数,使定子的两相共振频率基本达到一致.为了获得高速和大推力,前端盖选用硬铝材料,后端盖选用黄铜,压紧螺栓选用镀铬高强度钢材料.实验结果表明:在预压力为70N下,样机的空载速度为0.75 m/s,最大推力为16 N,是定子质量的22倍.     

长环形驻波直线超声电机振子有限元分析

提出了一种长环形直线驻波超声电机振子,并对该超声电机振子进行了研究。利用有限元分析软件对振子的工作模态进行了分析,阐述了振子的工作原理。对支撑结构、影响振子振动模态固有频率的主要结构参数,进行了数值分析,确定了振子的结构形式。振子与支撑结构采用柔性铰链连接,利用第18阶正交的两个面内弯曲模态工作,实现了电机振子双接触面驱动、正反两个方向运动。证明了该类振子利用面内弯曲振动模态可以实现双面驱动、正反双向直线运动。为环型驻波直线超声电机的设计提供了理论参考。     

环形超声电机定子的振动模态与谐响应分析

振动模态分析和谐响应分析是超声电机优化设计的重要步骤。基于本实验室提出的压电定子和压电转子振型嵌合式环形超声电机,利用有限元软件Ansys10.0建立了直径为60 mm的环形超声定子的模型,并对此电机定子进行模态分析以及谐响应分析,得出了定子的固有频率和振型以及理论振幅值,特别阐述了此电机定子最优振动模态的选择。同时利用Agilent 35670A对制作的电机定子进行扫频测试,结果表明:分析结果与实测结果基本接近。研究结论为超声电机的优化设计提供了理论依据。     

杆式旋转超声电机在精密定位平台上的应用

介绍了一款杆式旋转超声电机,它由一个定子和两个转子构成,利用两个一阶弯曲振动模态工作。将该电机应用于驱动精密定位平台,并构建了基于计算机与GO-400运动控制器的精密定位平台控制系统。对于杆式超声电机,当利用专用驱动器供电,驱动器的输入电压为直流15V时,电机的空载转速为206r/min,堵转力矩为0.273N.m。对于精密定位平台,通过对电机进行正/反转控制、速度PID控制,实现平台的精密定位,定位精度达到2μm。进行了平台步进试验,其正/反向的位移分辨力都为1μm。利用旋转超声电机作精密定位系统的致动器时,可以采用旋转型光电编码器代替昂贵的直线型编码器,从而大大降低整个精密定位系统的价格。     

直线超声电机驱动的并联微夹持器的振动控制

针对直线超声电机驱动的并联微夹持器手指的振动问题,提出了一种基于状态反馈的主动控制方法来抑制微夹持器手指的振动,提高了微夹持器的稳定性.首先,利用有限单元法建立了微夹持器系统中圆盘与活动手指的动力学模型,并推导其状态方程;其次,分析该振动系统的能控性和稳定性,采用极点配置法得到状态反馈矩阵,设计了振动反馈控制律,通过S...     

立式电机定子的模态仿真与实验研究

振动是电机的重要性能指标,对电机定子进行振动分析,可以为其结构改进和性能优化提供理论依据。在MSC.Nastran环境下,利用有限元方法进行电机定子的模态仿真,得到定子的多阶固有振动频率、振型等参数值。根据仿真图和数据,分析定子的危险位置和振型。进行定子模态试验,通过试验结果对比验证虚拟样机和数值模拟的有效性。仿真结果表明,系统不会发生共振。最后,在力学分析的基础上探讨螺栓数对结构振动的影响。     

双足型直线超声电机的实验研究

研制了一种新型直线超声电机,首先对其驱动机理进行了探讨,设计了电机的具体结构。其次对振子进行了频率响应实验,模态实验,实验表明电机可有效激励出所需振型。分别测定了电机的频率-速度关系、电压-速度关系、相位-速度关系。电机运行中正反两向运动灵活,工作状态稳定,速度基本与输入电压成正比,可采用调压调速;其最大无负载速度可达76 mm/s,最大输出推力2 N,达到了预期设计的目的。     

圆柱形多自由度超声电机特性的实验研究

从提高驱动效率、改善输出性能的角度出发,研制了一台新结构形式的圆柱形多自由度超声电机,对电机定子的工作模态和电机的输出性能进行了测试.电机定子的模态实验表明,无论是工作频率的一致性、驱动端的振幅,还是压电陶瓷元件与工作振型的相互位置关系,均较好地满足了设计要求.电机输出性能的测试结果表明,电机的输出转速和输出转矩得到显著提高,电机的性能体积比超过国外同类型、同规格的电机.     

超声电机宽温域低损耗压电与摩擦功能材料

为了提高超声电机的环境适应性与能量转换效率,本文分析并制造了宽温域低损耗的新型压电材料与摩擦功能材料,提出了通过相结构调控、增加第三组元、引入偶极子缺陷钉扎畴壁等手段制备宽温域低损耗压电陶瓷材料的设计与制造方法;为了提高超声电机摩擦界面能量传递效率及环境适应性,设计了具有高摩擦系数、低磨损率且耐高温的聚酰亚胺复合材料。结果表明,与传统材料相比,新型压电陶瓷材料具有低介电损耗、高机械品质因数及高温度稳定性的优势,使超声电机的能量转换效率提高3.3%,而新型聚酰亚胺基摩擦材料在摩擦系数、耐磨性以及温度范围等指标上均有明显提高,使电机的最大效率提高了6.19%。综合两种新型材料后,超声电机的最大效率提升了13.6%,可靠工作温度从-40~70℃提升至-60~120℃。本文提出的压电与摩擦功能材料既增强了超声电机的环境适应性,也改善了电机输出性能,对超声电机在航空航天等高端装备中的应用具有重要的意义。     

面内弯纵型直线超声电机的驱动与摩擦分析

分析了直线超声电机定子的质点切向运动和法向运动,认为等速点（定子质点的横向分速度与动子运动速度相等的点）将椭圆运动接触弧对动子的作用分成了驱动部分和阻碍部分。通过对定子的纵向伸缩振动分析,得知定子质心随着定子的振动而发生颤动,质心的颤动使定子两端的受力不是一个定值,并使定子的驱动足对动子进行跳跃性地驱动,电机定子对电机动子进行跳跃式驱动和粘滑摩擦受到材料刚度、预压力、定子振幅等多种因素的影响。文中的摩擦机理分析也可为其他类型的超声电机的驱动与摩擦分析提供参考。     

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%。