基于消除线性滑动的杆状超声电机研究

研究了外圆面质点线性滑动及振幅分布对提高杆状弯曲振动超声电机驱动效率的影响。系统分析了质点的有效椭圆运动及线性滑动的特点,得出杆状弯曲振动超声电机定子的外圆面中点无线性滑动的结论;采用有限元分析方法分析定子表面质点有效椭圆运动振幅分布与其几何参数之间的关系,并据此对定子进行了参数优化,使定子振幅相对集中在中点位置,以提高电机效率。研究结果为采用中点驱动模式电机的设计提供了理论依据。     

圆柱—球体三自由度超声电机运动机理研究

研制了一种新型的圆柱—球体三自由度超声电机 ,分析了该电机结构 ,推导了电机输出三自由度旋转运动的机理。该电机采用了三组压电陶瓷元件 ,可在定子上单独激出两个在空间上相互垂直的弯曲振动模态和一个纵向振动模态 ,当这些振动模态中任意两个组合时 ,在定子顶部的圆形平面上任一点产生的椭圆运动可驱动转子绕单轴旋转 ,两两组合即可形成对转子三个自由度转动的驱动。样机的实验结果证明了理论分析的正确。本文内容为该电机的进一步研究提供了理论依据。     

圆柱体弯曲型行波超声电机的研究

对圆柱体弯曲型行波超声电机进行了研究。该电机利用圆柱体的两个正交的一阶自由-自由弯曲模态进行工作。首先介绍了这种电机的工作原理;提出了控制电机定子弯曲共振频率的方法;对压电元件位置安排进行了定子的响应分析,成功地设计和制造了原型样机。还对定子进行了激光散斑测振实验,得到了它的一阶振型图。     

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。     

圆柱形多自由度超声电机椭圆倾角和接触角的研究

定子驱动端面形成的椭圆运动是实现超声电机驱动的关键，因而椭圆运动的性质直接影响超声电机的性能。分析了圆柱形多自由度超声电机驱动点的椭圆运动轨迹及其特点。在此基础上给出了椭圆倾角的计算公式，分析了椭圆倾角与接触角之间的关系，得到了最佳接触角。提出了保证最佳接触角的方法。通过实验，分析了接触角对电机输出性能的影响。     

行波超声马达传动机理的研究（一）——运动传递机理及定子中存在弯曲行波的条件

首先基于几何分析法研究了压电行波超声马达的运动传递机理，重点分析了驻波的产生和行波的合成原理，与转子相接触的定子表面质点的椭圆运动。然后基于弹性动力学方法研究了在定子中存在弯曲行波的条件，得出旋转型压电行波超声马达定子中弯曲行波的产生是基于同频和同节线的两个正交弯曲振型的叠加规律，提出了对圆形薄板圆形对称的基本结构要求     

行波超声马达传动机理的研究（一）：运动传递机理及定子中存在弯曲…

首先基于几何分析法研究了压电行波超声马达的运动传递机理，重点分析了驻波的产生和行波的合成原理，与转子相接触的定子表面质点的椭圆运动。然后基于弹性动力学方法研究了在定子中存在弯曲行波的条件，得出旋转型压电行波超声马达定子中弯曲行波的产生是基于同频和同节线的两个正交弯曲振型的叠加规律，提出了对圆形薄板圆形对称的基本结构要求。     

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%。     

双足型直线超声电机的设计及实验

研制了一种双足型直线超声电机；对其驱动机理进行了探讨，对定子表面质点椭圆运动的形成进行了分析；对定子进行了频率响应实验，分析了振子驱动足的运动干扰性。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。实验结果表明，双足型直线超声电机对制作工艺敏感系数小，易激发出有用模态，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。     

双振子弯曲模态直线超声电机的结构设计

通过直线超声电机的结构形式和夹持方式的设计,改善电机的速度稳定性。提出了一款新型直线超声电机。该电机采用矩形板结构,它仅利用了矩形板结构的弯曲振动,有利于提高电机的输出效率;采用双振子结构,有利于提高电机双向速度一致性;单个振子采用一端铰支的夹持方式,有利于提高电机的结构稳定性和速度稳定性。探讨了定子的夹持形式对定子的运动自由度、结构稳定性和速度稳定性的影响规律,提出了有利于结构稳定、速度稳定的定子形式和加持方式;通过ANSYS仿真估算定子振动的对称和反对称模态频率,通过结构优化提高两相模态频率一致性。     

Analysis and measurement of lateral elliptic motion effect for an asymmetric disc-type ultrasonic motor

This paper presents an analysis and measurement method for studying lateral elliptic motion effect of an asymmetric disc-type ultrasonic motor whose stator is a circular disc with a bonded PZT plate serving as a drive. At the edge of the stator with a simple, fixed three-point support of a 120°–90°–150° configuration, there exists a coupled vibration wave with lateral elliptical motion so as to generate a driving force between the stator and the rotor. The equations of the lateral elliptic motion and the driving force are analytically formulated based on the wave equation on the circular plate, thereby obtaining the driving frequency and the revolution speed of the motor. The relationship between the ultrasonic stator and its boundary condition is investigated as well. The analysis shows that the circumferential edge with a 90° included angle is an optimal contact section for the placement of the rotor. Experiments using the laser vibrometer and photodetector are used to show the validity of the proposed analysis method.     

杆状弯曲行波超声电机定子和转子的优化设计

采用有限元模态分析和谐响应分析方法，分析了杆状弯曲行波型超声电机定了上开槽尺寸与其一介弯曲固有频率的关系以及开槽尺寸与定子上与转子接触部位振幅的关系。对电机转子的两种设计方案进行运动分析和有限元接触分析，并得出两者结论是一致的。     

A linear piezo-electric ultrasonic motor using a single flexural vibrating bar for electro-discharge system industrial applications

This paper provides the development process of a linear piezo-electric ultrasonic motor using a single flexural vibrating bar. The process covers the design methodology, conceptual design, basic configuration, modelling and analysis, principle of operation, motor structure, experimental examination and evaluation of the main characteristics of the motor. The motor comprises three main parts: the stator, rotor and sliding element. The mechanism concept of the developed motor is based on creating elliptical motions of surface points generated by superposition of longitudinal and bending vibration modes of oscillating structures. Pressing the stator against the driving tip, the microscopic motions are transferred into a rotary motion then into linear motion through the friction between parts of the motor. The developed motor provides a linear motion and can be driven with common droving system with electrical signal of invariable frequency. Modelling using finite element analysis, mechanism and design of the component of the developed prototype are presented in this paper. The essential experimental test to implement the motor in electro-discharge system industrial application was carried out, and the initial results show that the developed prototype is able to provide a reversible directional of motion, no-load travelling speed equal to 28 mm/s, maximum load of 0.78 N, a resolution <50?μm and a dynamic response <10 ms.     

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.     

一种环型驻波超声电机的结构设计与工作机理

对环状超声电机定子中驻波的特征进行了分析,探讨了驻波状态下电机定子端面质点轨迹与矩形板表面质点运动轨迹之间的差异,指出驻波状态下圆环定子内圆周侧面上只有靠近波峰和波谷附近的区域和电机转子相接触,且接触区域的正压力会增大。设计了一种新型驻波超声电机,电机定子内侧面采用矩形小齿结构,并且实现了电机的薄型化。分析了此驻波电机的工作机理,证明利用驻波状态下波峰和波谷位置矩形小齿的位移能够驱动电机转子。制作了样机,完成了电机定子性能测试和电机运行实验。实验结果表明,电机在输入单相电压信号时能实现平稳运转。     

超声波直线电机的运行机理

超声波电机的运行机理完全不同于传统的电磁型电机。阐述了超声波直线电机椭圆运动的生成原理,讨论了行波直线电机与驻波直线电机的优劣,为超声波电机设计提供了理论依据。     

Linear ultrasonic motor using quadrate plate transducer

A linear ultrasonic motor using a quadrate plate transducer was developed for precision positioning. This motor consists of two pairs of Pb(Zr,Ti)O₃ piezoelectric ceramic elements, which are piezoelectrically excited into the second-bending mode of the motor stator’s neutral surface in two orthogonal directions, on which the tops of four projections move along an elliptical trajectory, which in turn drives a contacted slider into linear motion via frictional forces. The coincident frequency of the stator is easily obtained for its coincident characteristic dimension in two orthogonal directions. The performance characteristics achieved by the motor are: 1) a maximum linear speed of more than 60 mm/s; 2) a stroke of more than150 mm; 3) a driving force of more than 5.0 N; and 4) a response time of about 2 ms.     

圆柱-球体多自由度超声电机定子驱动端面的运动分析与仿真

对圆柱 球体多自由度超声电机定子的驱动端面的运动形式作出了基本假设 ,在已知一个特定驱动点振幅的前提条件下 ,建立起定子上一般驱动点的运动方程。结合在MATLAB环境下对驱动点的运动仿真结果 ,分析了驱动点运动的规律和特点。由于这个特定驱动点的振幅是可计算的和可测量的 ,因而本文提出的电机定子驱动端面的运动分析、仿真方法是定量的 ,这为进一步弄清该种电机的驱动机理、改进和提高电机的性能、实现电机输出性能的仿真设计等提供了有效的依据。