邵桂萍[1]2004年在《液体媒质超声波电机的理论解析与特性分析》文中指出超声波电机(Ultrasonic Motor)不同于传统的电磁式电机,它是利用压电陶瓷的逆压电效应,将超声振动作为动力源的一种新型电机。近二十年来,由于大功率压电陶瓷材料研究的突破,在全世界掀起了超声波电机研究的高潮,相继开发出多种型式的超声波电机。本文介绍了一种基于液体媒质的非接触型超声波电机,其转子浸于液体之中,不与定子直接接触,在压电陶瓷环上施加正弦交变电压信号激励定子产生超声振动,振动所产生的能量通过液体传递给转子,从而驱动转子旋转。该电机有效地克服了接触型超声波电机不能长时间运行、使用寿命短等缺点,是超声波电机领域的一个新的研究方向。首先,本文介绍了液体媒质超声波电机的基本结构及运行机理,阐述了电机的运行过程:在压电陶瓷环上通以四路相位互差90°的正弦交变电压信号后,由于逆压电效应定子会产生超声频域的振动,然后将振动所产生的能量通过液体传递给转子,从而驱动转子旋转。揭示了液体媒质中的雷诺切应力是电机声流场的驱动力。其次,运用相关理论分析了定子压电振动的产生及行波的合成原理、液体中质点和声场的运动规律; 对液体声流场做出了系统的理论解析,并建立了数学模型; 将声流场同电机转速联系起来,对电机转速同定子超声振动、液体声流场、转子半径等因素的关系进行了分析。然后,在系统理论分析的基础上,结合液体媒质超声波电机能量传递过程的特点,本文分别对定子振动、声流场特性、电机转速特性及驱动频率、驱动电压、液体媒质、转子半径等因素对电机运行特性的影响进行了Matlab仿真。仿真结果表明:当电源驱动频率等于定子谐振频率,转子半径在由零到声流速率取最大值的半径范围内取值时,电机转速在一定范围内随转子半径的增大而增大,随驱动电压的升高而升高,同时近似地与液体的粘性系数成反比。最后,在理论解析与Matlab仿真的基础上,本文用实验验证了电机的基本运行特性,测定了电机转速与驱动频率、驱动电压、液体媒质、液面高度、液体粘性系数和转子半径等因素的关系。将实验与仿真结果进行比较分析,结果表明仿真结果与实验结果具有很好的一致性,验证了本文假设的合理性,同时验证了仿真方法的正确性。结合前文的理论解析与实验结果,考虑基本假设,本文针对定子内壁的粗糙程度、转子重量、转子表面的粗糙度、液面高度、液体粘度、驱动控制系统的稳定性等因素对电机的运行特性进行了深入的分析与讨论。
王香存[2]2004年在《液体媒质超声波电机特性研究》文中认为超声波电机是一种将压电陶瓷在超声频域的振动能转换成机械能的特种电机。液体媒质超声波电机是基于液体媒质的非接触型超声波电机,它克服了传统接触型超声波电机由于定、转子之间具有摩擦接触不可避免存在的易磨损、寿命短和不能长时间连续运转的缺点,是超声波电机领域一个崭新的研究方向。本文介绍了一种基于液体媒质的非接触型超声波电机,其转子浸于液体中,不与定子直接接触,定子振动所产生的能量通过液体传递给转子,从而驱动电机旋转。具体研究内容如下:首先,文中给出了电机的结构及运行机理,论述了定子上驻波的产生及行波的合成原理,分析了液体媒质超声波电机的液体声场传递能量的基本过程,并对声流场进行了理论解析。其次,设计了实用的超声波电机驱动电路。超声波电机是一种典型的机电一体化电机,其驱动控制电路的好坏直接影响着电机的性能。本文针对此电机的自身特点设计了其驱动控制系统,系统由压控振荡器产生频率可调的脉冲信号,将该信号作移相处理,产生4路相位依次相差90°的方波信号,来驱动两路推挽功放电路。由功放电路处理后所得的高频方波经过升压变压器即可驱动电机。利用该电路测得驱动电机的实际电压波形。该电路易于调节和控制,可以满足对电机的驱动控制要求。然后,本文详细研究了电机的转速特性。实验测定和理论分析了电机转速与液体性质和转子结构参数之间的关系。在液体性质上分液位高度、液体粘度和液体非线性参数叁方面,在转子结构上分转子直径、叶片数、叶片高度和所用材料四方面,对其进行了深入的分析,从中得出转速特性良好的液体和转子结构形式和能有效提高电机转速的方法,进而改善了电机的运行特性。最后,研究了电机的饱和流速特性。饱和流速是当定子振动速度超过一定值后液体流速不再随之增加的现象。首先分析了饱和流速产生的原因并从非线性声学角度对其进行了理论解析,找出与之有关的参数,在此基础上进行了实验验证; 研究了液体性质和转子结构参数对它的影响,找出了提高饱和流速和电机转速极限的方法,这些研究为优化电机结构与运行特性奠定了基础。
俞卫[3]2005年在《液体媒质超声波电机有限元分析》文中研究指明非接触型超声波电机有效地解决了接触型超声波电机因接触摩擦所引起的使用寿命低、不能长时间连续运转等困难,是超声波电机领域的一个新的研究方向。液体媒质超声波电机是基于液体媒质的非接触型超声波电机,其定子与转子不直接接触,并且转子浸于液体媒质之中,定子压电振动所产生的能量通过定转子间的液体传递给转子,从而驱动转子旋转。本文主要针对液体媒质超声波电机的结构和运行机理、定子环振动、液体声流场及饱和流速等相关问题展开了相应的研究。本文回顾了国内外超声波电机的研究历史、发展现状和主要应用,介绍了非接触型超声波电机的研究背景和现状;给出了液体媒质超声波电机的基本结构及运行机理,论述了定子上驻波的产生及行波的合成原理,分析了液体媒质超声波电机液体声流场传递能量的基本过程,并对声流场进行了理论解析;采用有限元方法建立了液体媒质超声波电机定子振动的分析模型,针对其结构和运行原理的特点,对定子振动进行数值仿真;在非线性声场有限元算法的基础上,对液体媒质超声波电机内部声流场进行了有限元分析,分别考虑了声场衰减、声学非线性以及定子驱动电压等因素对声流场驱动力与液体转速的影响;针对液体媒质超声波电机运行过程中存在的饱和流速现象,阐述了液体中声场的非线性是导致饱和流速产生的主要因素,从非线性声学角度对其进行了理论解析,并在声流场的有限元分析结果的基础上,从计算上得出了声场的非线性是导致饱和流速产生的主要原因。
杨荣[4]2004年在《液体媒质超声波电机特性分析与驱动系统研究》文中研究说明超声波电机（Ultrasonic motor，简称 USM）是一种利用压电陶瓷超声频域的振动产生驱动力矩的特种电机。接触型 USM 由于定、转子之间具有摩擦接触不可避免存在易磨损、不能长时间工作等缺点。与一般 USM 依靠定、转子之间的摩擦来传递能量不同，非接触型 USM 定子和转子并不直接接触，而是通过气体或液体媒质间接传递能量，有效地克服了接触型 USM 的缺点，是 USM 领域的一个新的研究方向。 本文介绍了一种基于液体媒质的非接触型 USM，其转子浸于液体之中，不与定子直接接触，定子振动所产生的能量，通过液体传递给转子，从而驱动电机旋转。具体研究内容如下： 首先，文章给出了电机的结构及工作原理，论述了定子上驻波的产生及行波的合成原理，分析了液体媒质 USM 液体声场传递能量的基本过程，并对液体声场做出了理论解析。 其次，本文实验验证了电机的基本运行特性，测定了电机转速、驱动频率和驱动电压之间的关系。实验中发现，在一定范围内，电机转速随定子振动速度的增大而增大，而当电机定子圆环振动速度超过某一特定值后，电机中液体的转速出现了饱和流速现象。文章中对液体饱和流速现象进行了理论分析，证明了液体中声场的非线性是导致饱和流速的主要因素，并通过实验测出了饱和流速与液面高度、液体浓度和非线性参数之间的关系，实验结果与理论分析结果一致。 然后，在实验的基础之上对液体媒质 USM 的最佳运行条件进行了初步探讨，提出了优化电机结构和提高饱和流速的方法，并运用流体力学与非线性声学的基础理论对实验结果进行了分析。 最后，针对液体媒质 USM 的特点设计了驱动电路，由反向器构成的自激多谐振荡器产生频率可调的脉冲信号，将该信号作移相处理，产生 4 路依次相差90°的方波信号，来驱动两路推挽功放主电路。利用所设计的电路测得电机的实际驱动电压波形。该电路易于调节和控制，可以满足对液体媒质 USM 驱动和控制的要求。
李斌[5]2006年在《液体媒质超声波电机有限元分析及运行特性研究》文中提出超声波电机是一种新型电机,利用压电材料的逆压电效应实现电能到机械能的转换。根据电机定子和转子间能量传递方式,超声波电机分为接触型和非接触型。接触型超声波电机定、转子直接接触,具有大力矩、低转速、无噪声、抗电磁干扰和响应速度快等优良性能,在航空航天、微型机械、机器人、自动控制系统等领域有着广泛的应用前景,但由于定、转子之间的摩擦,电机具有使用寿命短、不能连续长时间运行等缺点。非接触型超声波电机定子和转子不直接接触,有效地克服了接触型超声波电机因接触摩擦引起的缺点,是超声波电机领域一个新的研究方向。液体媒质超声波电机是利用液体媒质完成能量传递的非接触型超声波电机,液体媒质在定子环内,转子浸于液体媒质之中,定子振动产生的能量通过液体间接传递给转子,从而驱动转子旋转,可以通过控制液体媒质的参数获得不同的运行特性。本文的主要内容包括:(1)介绍了液体媒质超声波电机的基本结构及运行机理,阐述了定子上驻波的产生及行波的合成,分析了液体媒质超声波电机利用声流传递能量的基本过程,对声流场进行了理论解析。(2)利用有限元方法研究了液体媒质超声波电机定子的振动模态、谐振频率和接触面质点振动幅值、运动轨迹等问题,分析了外激励方式对定子振动的影响,利用声场和定子的耦合方程,研究了液体媒质的负载效应。(3)通过非线性声场分析、驱动力计算和流场分析,解决了液体媒质超声波电机声流场仿真问题,研究了声场衰减和定子驱动电压等对声流驱动力、声流速的影响,分析了饱和流速产生的原因。(4)在声流场分析基础上,研究了驱动电压、液体和转子参数对液体媒质超声波电机转速特性的影响。利用弹簧和质量块系统模拟牛顿剪切力对转子的作用,提出了转子稳定性分析模型,在电机转轴不固定的条件下,转子的振动频率可作为其稳定性的量度,据此研究了各种运行条件下的转子稳定性问题。(5)根据液体媒质超声波电机等效电路和转速–频率特性,分析了驱动电压和等效电路中串联支路电流的相位差与电机运行状态的关系,提出了基于频率跟踪的转速辨识策略。建立了液体媒质超声波电机模糊控制系统,模糊控制单元根据转速误差信号及其变化量调节驱动信号频率,以跟踪给定转速信号。
夏长亮, 邵桂萍, 史婷娜, 王香存[6]2006年在《液体媒质超声波电机的特性仿真与实验研究》文中研究指明为了深入研究液体媒质超声波电机的转速特性,通过阐述电机运行过程中将超声振动所产生的能量由液体传递给转子,从而驱动转子旋转这一能量传递的基本过程,揭示了液体中的雷诺切应力是电机声流场的驱动力．然后,以此为基础,对液体声流场进行了系统的理论解析,并将声流场同电机转速联系起来,针对电机转速与驱动频率、驱动电压、液体环境和转子半径之间的关系进行了Matlab仿真与实验研究．比较分析仿真与实验结果可知, 二者具有很好的一致性,验证了本文假设的合理性和仿真方法的正确性．
夏长亮, 俞卫, 李斌, 史婷娜[7]2006年在《基于有限元法的液体媒质超声波电机内部声流场分析及饱和流速研究》文中提出与一般超声波电机依靠定、转子之间的摩擦来传递能量不同,非接触型超声波电机的定、转子并不直接接触。该文介绍了液体媒质超声波电机的基本结构及运行机理,阐述了电机运行过程中能量传递的基本过程,揭示了液体中的雷诺应力是电机声流场的驱动力。文章基于Kuznetsov非线性波动方程有限元方法,对液体媒质超声波电机内部声流场进行数值仿真。由声场中的液体微粒振动速度计算声流场驱动力,随后在流体域内用有限元法计算液体的流速。仿真中分别考虑了声场衰减、定子驱动电压及声场非线性对声流场驱动力与液体流速的影响。在数值分析的基础上,对电机运行过程中存在的饱和流速问题进行了进一步的分析。实验结果验证了有限元分析的有效性。
夏长亮, 李斌, 俞卫, 史婷娜[8]2006年在《液体媒质超声波电机转子稳定性理论和实验研究》文中研究说明液体媒质超声波电机定、转子不直接接触,利用液体媒质驱动转子旋转,是超声波电机新的研究方向。在液体媒质超声波电机中,转子的稳定性是一个关键问题。该文利用有限元分析软件CAPA和ANSYS,分析了在受到电压激励时电机内液体媒质的声流速分布。通过仿真发现,液体媒质同时存在切向流动和径向流动,是一种紊流,速度的大小和方向与激励电压和液体参数密切相关。切向流动推动转子旋转,而径向流动作用在转子上,引起了转子不稳定。为了分析方便,假设转子轴不固定,径向流动对转子的作用可通过弹簧和质量块构成的单自由度系统模拟,这样转子的稳定性可利用转子的振动频率衡量。通过实验研究了电机激励电压、转子厚度、液体媒质的高度及类型与转子振动频率的关系,为提高转子稳定性、优化电机设计提供了参考依据。
夏长亮, 杨荣, 祁温雅, 史婷娜[9]2005年在《液体媒质超声波电机驱动系统》文中研究表明为获得液体媒质超声波电机的最佳性能,针对其特点设计了驱动电路,由反向器构成的自激多谐振荡器产生频率可调的脉冲信号,将该信号作移相处理,产生 4路依次相差 90°的方波信号,驱动两路推挽功放主电路.利用设计的电路测得电机的实际驱动电压波形.该电路易于调节和控制,可满足对液体媒质超声波电机驱动和控制的要求.
祁温雅[10]2004年在《基于RBFNN的超声波电机自适应变频控制》文中研究指明超声波电机（ultrasonic motor，简称USM）是一种利用压电陶瓷的逆压电效应工作的特种电机。与传统的电磁型电机截然不同，USM的驱动力矩并非由电磁感应产生，而是由压电陶瓷超声频域的振动转化而来。本文研究了行波型USM，具体内容如下：首先，论述了USM的运行机理。详细分析了行波型USM的特殊结构，阐述了USM中压电元件的起振原理、定子上驻波的产生机理、行波的合成原理、定子表面质点运动规律。其次，设计了实用的USM驱动电路。USM是一种典型的机电一体化电机，其驱动电路的好坏直接影响着电机的性能。本文针对行波型USM自身特点设计了其驱动电路，由压控振荡器产生频率可调的脉冲信号，将该信号作移相处理，产生4路依次相差90°的方波信号，来驱动两路推挽功放电路。由功放电路处理后所得到的高频交流方波经过升压即可以驱动USM。利用所设计的电路测得不同负载下USM的变频调速特性。然后，研究了USM的速度优化控制方法。由于USM谐振频率的漂移、USM系统的强耦合性和高度非线性及参数的不确定性，迄今为止，还没有能够完全表达超声波电机动态和稳态特性的精确数学模型。在比较了国内外现有的速度优化控制方法的基础上，本文提出一种新的USM自适应控制策略。系统采用双闭环控制，内环用来补偿定子环机械谐振频率的漂移；外环利用径向基函数神经网络（Radial Basis Function neural network ，简称RBFNN）控制器调节USM的驱动频率，实现速度的自适应控制。RBFNN控制器参数的在线调整利用另一个RBFNN对系统的参数进行在线辨识而实现。两个RBFNN都采用离线和在线相结合的方式进行训练。经实验证明，该控制系统具有响应迅速、适应性强等优点，具有较高的控制精度和较好的稳定性。最后，在上述方法的基础上，改进了RBFNN的训练方式，利用混合递阶遗传算法训练其参数，简化了控制结构，提高了控制效率。
参考文献：
[1]. 液体媒质超声波电机的理论解析与特性分析[D]. 邵桂萍. 天津大学. 2004
[2]. 液体媒质超声波电机特性研究[D]. 王香存. 天津大学. 2004
[3]. 液体媒质超声波电机有限元分析[D]. 俞卫. 天津大学. 2005
[4]. 液体媒质超声波电机特性分析与驱动系统研究[D]. 杨荣. 天津大学. 2004
[5]. 液体媒质超声波电机有限元分析及运行特性研究[D]. 李斌. 天津大学. 2006
[6]. 液体媒质超声波电机的特性仿真与实验研究[J]. 夏长亮, 邵桂萍, 史婷娜, 王香存. 天津大学学报. 2006
[7]. 基于有限元法的液体媒质超声波电机内部声流场分析及饱和流速研究[J]. 夏长亮, 俞卫, 李斌, 史婷娜. 中国电机工程学报. 2006
[8]. 液体媒质超声波电机转子稳定性理论和实验研究[J]. 夏长亮, 李斌, 俞卫, 史婷娜. 中国电机工程学报. 2006
[9]. 液体媒质超声波电机驱动系统[J]. 夏长亮, 杨荣, 祁温雅, 史婷娜. 天津大学学报. 2005
[10]. 基于RBFNN的超声波电机自适应变频控制[D]. 祁温雅. 天津大学. 2004
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