李治辰[1]2014年在《弯扭复合模态直线超声电机的研究》文中进行了进一步梳理超声电机输出扭矩大、无噪声污染、无电磁干扰等优势都广泛的应用于不同的特殊环境要求下的科技领域，在某些领域的应用是传统电机无法代替的。随着各个领域的需求不同，超声电机的种类也越来越多，不断地进行种类的创新和技术的优化。本文针对弯扭复合模态直线超声电机进行了研究。提出一种弯扭复合模态直线超声电机振子，其振子的振动模态是由一阶扭转振动模态和二阶弯曲振动模态相耦合，分析了弯扭复合模态直线超声电机的工作原理。利用有限元分析法，对弯扭复合模态直线超声电机振子进行了动态设计，分析了振子的尺寸参数对二阶弯曲振动模态和一阶扭转振动模态固有频率的影响，通过调整振子尺寸，完成二阶弯曲振动模态和一阶扭转振动模态固有频率的简并。设计了压电陶瓷片的结构形式和极化方式，研究了激发扭转模态的压电陶瓷片的固定方式和粘贴方法，设计了新的一种扭转压电陶瓷片的装配型式和装配结构，研制了弯扭复合模态直线超声电机的振子。对振子的性能和参数进行测试，通过实验数据验证了二阶弯曲振动模态和一阶扭转振动模态复合的可行性。
杨东[2]2009年在《双变幅杆V形直线超声电机研究》文中提出本课题来源于国家自然科学基金项目(50745039)与江苏省自然科学基金项目(BK2008384)。直线超声电机作为超声电机的一个分类,近年来发展十分迅速,在微小型精密驱动系统中有代替电磁型直线电机之势。目前出现的多种结构形式的直线电机普遍存在输出力小、速度低等特点。针对这一问题,本文提出了一种高速、大推力的直线超声电机定子结构。概括起来,主要的研究内容和成果综述如下:总结了国内外直线超声电机的发展历程,各种直线超声电机的特点,针对目前直线超声电机存在的主要问题,确定本课题的研究内容。用声学理论释超声电机的能量传输机理。为便于振动能量的传输,必须合理设计变幅杆,本文讨论了叁种不同几何形状变幅杆的能量传输能力。在以上理论的指导下,设计了双变幅杆V形直线电机的定子结构形式,并确定了其电激励方式。提出了杆式直线电机定子的结构设计原则及方法,在此原则的指导下,设计了定子结构,提出了一种电机定子的夹持方式,并在实验的基础上对该结构进行了改进,解决了定子夹持难的问题。设计了双变幅杆V形直线超声电机的原理样机。对所研制样机进行了定子模态实验,得到了定子的装配方式以及电机的工作频率。测试了电机的机械输出特性。应用响应面法对定子进行了优化设计。并将优化结构与前面设计的电机定子结构通过有限元进行了比较,证明了该优化方法的有效性。
万志坚[3]2014年在《基于面内弯纵复合模态的直线超声电机研究》文中提出超声电动机是近叁十多年来发展起来的一种全新概念的驱动装置。与传统电磁电机相比，超声电机具有结构简单、能量密度大、启停灵敏、位置分辨率高、断电自锁、低振动、低噪声、无电磁干扰等特点。所以它在航天器、微小型机械、精密仪器、小功率驱动等方面的应用具有明显的优越性。直线超声电机是超声电机的一个分支，它通过定子和滑块（或者动子）之间的摩擦耦合输出直线运动和推力。由于其结构简单，可以直接输出直线运动，不需要运动转换机构，所以除了具有旋转型超声电机的一般特点外，直线超声电机的定位精度和速度控制精度更高，可达纳米级精度。本文提出了一种新型面内弯纵型直线超声电机。该电机的定子由一块青铜矩形板和八片压电陶瓷片组成，电机利用矩形板的面内二阶弯曲振动和一阶纵向振动的复合模态来工作。由于矩形板的宽度远小于厚度，其面内弯曲振动难以被激发，所以，本研究中，在青铜矩形板的适当位置开设了若干长条形孔来解决这个问题，并利用瑞利-里兹法确定了长条形孔的最佳长度尺寸。在电压信号的激励下，压电陶瓷片产生超声频率的伸缩振动，并激发出矩形板定子的面内弯纵复合模态，使矩形金属板产生共振，并使矩形板上的驱动足产生椭圆运动。通过摩擦耦合将驱动足的椭圆运动变成电机滑块的直线运动，从而实现直线电机的动力输出。分析了压电材料的逆压电效应，从矩形板定子面内二阶弯曲振动和一阶纵向振动的振动方程出发，建立了矩形板定子的机电耦合动力学模型，计算了压电陶瓷片对定子所施加的面内二阶弯曲振动和一阶纵向振动的模态力，给出了若干压电陶瓷片的合理安装位置，解释了定子驱动足椭圆运动的形成机理。应用有限元分析软件建立了面内弯纵型直线电机定子的有限元模型，对电机定子进行全面的仿真分析，包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析和接触分析。通过仿真，得到了定子的振型，优化了电机的结构尺寸，计算了定子产生面内纵弯复合振动时的最佳频率，验证了定子驱动足的椭圆运动的形成机理，比较了矩形板开孔前后定子的振幅、频率等变化，并通过接触分析证明了这种直线超声电机设计方案的可行性。课题对弯纵型直线超声电机进行驱动和摩擦分析，从定子驱动足质点的椭圆运动研究入手，以新的视角分析了驱动足质点的椭圆运动对动子运动的驱动和阻碍机理，提出了定子质心位置和定子两端的作用力随着定子的振动而变化的观点。在此基础上，分析了定子和动子摩擦界面间的粘、滑摩擦机理，指出驱动足对动子的驱动方式为跳跃式驱动，且定子驱动足相对于动子适当的“跳跃”有利于电机的动力输出，还指出定子驱动足的“跳跃”高度取决于预压弹簧刚度、动子摩擦层的刚度、电机预压力、驱动足振幅等因素。为验证本课题所设计和制造的新型超声电机合理性和可行性，加工制作了直线超声电机的样机，搭建了实验平台并进行了相关的实验。在实验中，对定子矩形板是否开孔两种情况进行了比较实验，证明矩形板开孔后可以扩大定子的振幅，特别是面内弯曲振动的振动幅度，并且电机的输出速度和最大输出力明显加大。
张彦虎[4]2016年在《驻波超声电机定动子摩擦磨损机理及寿命预测方法》文中提出驻波直线超声电机是一种利用摩擦传递动力的新型驱动器,因其结构紧凑、驱动效率高、成本低而备受青睐。电机工作时定动子摩擦副的接触面积较小、接触应力变化大,且定子对动子的冲击作用剧烈,导致定动子磨损加剧,容易引发工作过程失稳,严重时会导致电机寿命终结。因此,要求定动子接触界面具有较大且稳定的摩擦力,也要求配副材料具有良好的耐磨性,这无疑对驻波直线超声电机的设计与制造提出了严峻的挑战,大功率、高速度、高效率和长寿命成为人们追求的目标。为此,本文对电机定动子摩擦磨损机理及相关问题进行深入系统研究,期望研制出高质量、长寿命的驻波直线超声电机。具体研究包括如下几个方面:对定动子的动静态接触特性进行了分析,建立了驻波直线超声电机定动子接触模型,研究了定动子接触过程的时变特性。结果表明,电机工作时压电振子以斜椭圆运动轨迹运行,从而使惯性力的冲击效应加强,导致定动子接触表面磨损加剧,最终降低了电机的使用寿命。动态接触中的摩擦非线性会影响电机运行过程的平稳性,伴随惯性力作用,机械犁削成为定动子接触面的主要摩擦形式。综合考虑库伦摩擦力和压电振动惯性力、切向刚度对接触界面动力传输的影响,提出了能够反映定动子摩擦传递水平的广义摩擦力概念,建立了定动子接触界面动力传输模型。研究了定子触头与动子导轨相互作用时相关动力学参数的变化规律,分析了振子触头与导轨动态摩擦的时变特性。电机性能试验结果表明库伦摩擦力和压电振动惯性力通过协同作用来实现电机的速度及推力输出。利用自行研制的SWUM摩擦磨损实验装置,研究了不同摩擦配副驻波直线超声电机的运行特性,以稳态运行次数为电机运行寿命的评价指标,以运行速度的变异系数和均方差为评价因子,对不同摩擦配副电机稳态运行状态进行了综合评价。依据定动子接触面的动力传输模型,分析了电机发生颤振、失稳及输出性能衰减的原因,并应用能量最小原理对电机运行过程中定动子接触失稳进行了合理解释。结果表明,接触宽度随着磨损厚度的增大而减小,切向冲击作用逐渐减弱,最终导致摩擦传递效率降低,造成电机输出性能衰减。基于脆性断裂力学理论,推导出磨粒的断裂能和临界尺寸,通过理论分析和实验研究建立了磨粒临界尺寸与材料脆性指数和塑性指数之间关系的数学模型,据此可对定动子表面磨损程度进行有效评价。通过对磨损形貌特征进行分析,发现稳定工作时机械滚压和化学机械抛光为定动子光滑表面的主要成因。通过磨损表面形貌的特征分析,发现定动子接触表面失效机制因摩擦材料性能而存在显着差异。从微观断裂、应力疲劳和磨粒磨损叁个方面分别建立了定动子磨损厚度方程,并进行了相应的实验验证。通过对驻波直线超声电机定动子摩擦特性及磨损机理的系统研究,提出了驻波直线超声电机摩擦界面的设计要求。研究了定动子配副材料性能参数对电机定动子磨损率的影响,结果表明共价型陶瓷和离子型陶瓷的磨损存在显着差异。考虑振子触头磨损对振子振动特性影响,确定了定动子接触表面磨损寿命的约束条件,建立了多磨损模式融合的时间加权平均寿命预测模型,并利用弹性接触疲劳磨损理论对其可靠性进行了验证。采用人工神经网络方法对寿命实验数据进行样本处理、网络优化和样本训练,研究了配副材料性能参数对驻波直线超声电机寿命的影响规律,为电机定动子配副材料的选择及设计提供了依据和方法。
江超[5]2013年在《直线型超声电机在复杂环境下的试验研究》文中研究指明超声电机是一种新型的驱动器。它具有低速大转矩、响应快、不受磁场干扰以及断电自锁等优点，广泛地被应用于航空航天等领域。近年来，国外率先展开了在非常态环境下的超声电机驱动特性的基础性研究，国内关于超声电机在非常态环境下可靠性研究工作才刚刚起步。鉴于直线型超声电机的应用场合及其重要性，也需要对其进行在非常态环境下的试验研究。本文的目的旨在研究直线超声电机在非常态环境下运行的可靠性和性能的变化趋势，探究不同的环境因素对直线超声电机性能的影响规律。本次试验的对象定为双变幅杆V形直线超声电机。以预压力、环境温度以及环境压强为参数，在各种不同组合下进行非常态环境试验，得到该型超声电机的不同机械特性。首先，进行单一环境因素试验。设定预压力以及其中一个环境因素（温度或气压）为恒定，通过改变另一环境因素，得到电机性能的变化趋势，且为之后的复合环境试验做铺垫。其次，进行复合环境试验。同时改变预压力、环境温度以及环境气压，形成不同的复合环境，使电机在复合环境中工作并得到电机性能的变化趋势。通过对比不同试验的数据，最终确定了不同因素对电机性能的影响规律。再引入理论，分析并解释了该型直线超声电机在不同环境下性能的变化原因。最后，通过分析该直线电机在非常态环境下的运动趋势，从理论入手，设计出一种振子排列结构更加合理，性能更加强劲的直线电机。试验证明，该型电机具有良好的输出特性。
刘仁鑫[6]2005年在《矩形复合层板面内弯曲模态直线超声电机研究》文中提出直线超声电机(Linear Ultrasonic Motor,以下简称LUSM)是超声电机的一个重要分支,近年来已成为超声电机研究和开发的热点。直线超声电机具有结构简单、体积小、输出力大、启停响应快(响应时间为毫秒级)、位置分辨率高(达纳米级)、低振动、低噪声、机电转化效率高等特点,决定了它在微小型、精密定位、小功率驱动等方面的应用具有明显的优越性。本文针对计算机硬盘磁头驱动装置,提出了一种矩形压电复合层板振子面内弯曲模态新型直线超声电机,并对其关键部件——压电振子及电机驱动机理进行了深入地理论与实验研究。本论文的主要内容有:首先,综述了国内外直线超声电机研究及应用现状,具体概述了直线超声电机特点、类型及其研究中存在的问题。特别地,针对矩形板振子面内模态直线超声电机的研究,进行了较详细的论述。第二,对矩形复合层板振子进行了面内动力学研究:(1)运用弹性力学、振动等理论,忽略压电效应的影响,对矩形复合层板振子进行了面内动力学分析,建立了矩形复合层板振子面内振动的理论模型,并通过Rayleigh-Ritz近似计算方法,利用Maple软件计算得到了其固有频率;(2)利用已建立的理论模型,计算分析了压电振子弹性体材料、结构尺寸等参数对面内弯曲谐振频率的影响,并将理论计算结果与ANSYS有限元分析结果进行了对比;然后,根据电机设计要求,得出了使两种弯曲模态频率趋于一致时压电振子的材料、结构参数。第叁,运用等效电路分析方法,在忽略剪切、弯曲及扭转振动的情况下,将矩形压电振子的面内振动,看成是长度和宽度方向伸缩振动的相互耦合,从第一类压电方程出发,将其转变为压电振子的系统方程,推出了压电振子面内振动的等效电路;并在此基础上,根据谐振理论,分析了其面内振动的频率特性,并计算得到了矩形振子不同尺寸下长度和宽度方向伸缩振动的共振频率。第四,根据运动学理论,结合振动模态的简并及其周期变化过程,详细分析了矩形复合层板面内弯曲模态直线超声电机的驱动机理。最后,在理论分析研究的基础上,加工制作了新型直线超声电机样机,并对其进行了实验研究:(1)利用Aligent 4294A精密阻抗分析仪、压电阻抗分析系统,对压电振子进行了扫频实验及阻抗测试,得到了阻抗频率特性、导纳频率特性曲线及其谐振频率;(2)对电机进行了调试及其性能测试,实验表明:电机正反向运行良好,通过手动控制电源开关,能够实现电机快速起停、换向等功能;当改变激励频率或电压值时,可以控制电机运行速度。研究表明,电机可在一定的频带宽度内工作,其最佳工作频率为65.2kHz,与扫频实验结果65.32kHz,65.315 kHz比较,分别相差0.18%,0.18%;在输入电压为380VP-P,驱动频率为65.2kHz情况下,电机正反两方向均运行良好,其最大无负荷平均运行速度达458.3mm/s,最大驱动力为1.2N。进一步证明了理论分析方法及所得结果的正确性和可行性。但该电机在性能及稳定性方面仍有待进一步改进或提高。本项目的研究对面内模态直线超声电机的设计及其在磁头驱动中的应用研究,提供了有价值的分析方法及理论基础。
陈波[7]2004年在《复合振子型直线超声电机的研究》文中研究指明本研究主要完成了以下工作： 1、概述了直线型超声电机的运动机理和特点，分类总结了国内外行波型、驻波型、复合振子型、仿生步进式四类典型直线型超声电机的发展及其研究现状，指出了直线型超声电机在理论建模、运动控制、工程应用等方面存在的问题及研究内容，明确了超声电机的发展方向。 2、分析了压电陶瓷实现电能到机械能转换的工作机理，证明了复合振子的变形量为压电陶瓷自由变形量的一半时，可转换出的机械能为最大，推导出了压电片和弹性体的厚度之比约等于相应弹性模量反比的规律。对定动子的驱动原理进行了分析，探讨了椭圆运动的形成及影响因素。 3、设计开发了一种哑铃形的直线复合型超声电机，采用有限元分析法，研究了定子各部分尺寸对定子模态频率的影响规律，确定出了相应的谐振频率，给出了定子设计的基本方法和步骤。利用谐响应分析法，对设计的定子进行了激振对比试验，找到了电极片的配置规律，仿真演示了定子的运动轨迹，发现了影响定子谐振的一些因素，验证了所设计超声电机的可行性。 4、基于假设振型法，利用分析动力学的Lagrange方程，建立了基于压电陶瓷诱发应变激振的超声电机复合定子的机电耦合动力学模型；根据等效电路的原则，求出了超声电机的等效电路模型；分析了定子预压力的特点及选择原则。 5、引入摩擦粘着理论，建立了复合型直线超声电机定子纵向振动基本模型和电机输出特性基本模型。研究了超声电机的传动特性与摩擦副材料的关系，提出了超声电机对摩擦材料的基本要求。
邓习树, 吴运新[8]2005年在《国内外直线超声电机的研究现状及关键技术》文中进行了进一步梳理分析了直线超声电机的优点,按时间顺序介绍了国内外直线超声电机的研究状况,并给出了一些典型的电机形式及其工作原理;提出了当今直线超声电机研究中存在的问题及需要加强研究的关键技术。
苏松飞[9]2011年在《U形直线超声电机设计和实验及其并联性能研究》文中提出作为超声电机的一个分类，除了具有一般超声电机的优点外，直线超声电机还具有直接产生直线运动和驱动力、定位精度高、结构设计灵活、易小型化和重量轻等特点。在近几年发展十分迅速，尤其在微小精密驱动系统中，有替代电磁电机的趋势。目前的直线超声电机普遍存在体积大、装配困难、推力小、速度低等缺点，针对这一现状本文设计了一种结构小巧、输出力大、速度快的直线超声电机，并利用其进行了直线超声电机的并联性能研究。主要研究内容概括如下：首先总结了国内外直线超声电机的发展，分析了各类直线超声电机的特点，针对目前存在的问题确定本课题的研究内容。通过对振动传递理论、压电理论、典型直线超声电机分析等方面的研究，对新型直线超声电机进行设计，并利用有限元软件对电机结构进行优化，设计出U形直线超声电机定子。结合柔性铰链理论为电机设计了与定子整体线切割的柔性夹持，极大的简化了电机的整体结构。制作电机样机及实验测试平台，对样机进行实验测试，结果表明该电机具有较大的输出力和输出速度。同时，对于单个电机推力不足的问题，本文从并联的角度进行了研究，以U形直线超声电机为基础，设计出直线超声电机并联运动平台及实验方案，通过实验得出并联条件下电机的输出性能及平台整体输出性能。分析实验数据，建立理论运动模型对实验现象进行解释，为直线超声电机的并联使用提供理论基础。
肖煜涵[10]2015年在《基于准H式超声换能器的压电直线电机研究》文中研究表明超声电机是一种国内外正着力发展的高新技术电机,是当前微特电机领域的研究热点,在航空航天、医疗器械、生物工程等许多领域内具有广泛应用前景。目前,直线超声电机技术还不成熟,普遍存在结构型式单一、推力较小、速度不高等问题。为丰富直线超声电机型式并改进电机性能,本文着力研究了直线超声电机设计理论总结技术,完成了以下工作:1、回顾了压电直线超声电机的发展,介绍了直线超声电机的特点及应用,厘清了直线超声电机的分类,阐明了直线超声电机的研究现状,指出直线超声电机研究的关键问题,说明了本研究的目的与意义。2、提出一种基于面内复合模态的准H型变截面夹心式定子的直线电机。建立了该定子APDL参数化分析模型。以两相模态频率一致且工作振幅最大为目标,通过对定子结构尺寸进行模态灵敏度分析和计算,实现了定子动力学特性的优化并求得定子优化尺寸为37mm×60mm×11mm。阐释了电机的驱动机理,推导了其定子驱动端椭圆运动轨迹方程,通过施加电压载荷对定子振动特性进行了瞬态分析仿真,求得定子在200V电机激励下的纵、弯工作振幅为8μm和6μm,并通过对施加电压载荷的改变验证了在激励不同的情况下椭圆运动轨迹的变化。3、提出一种两直线自由度的准H型变截面夹心式定子的直线电机,该定子以面内纵弯复合模态以及面外复合模态作为工作模态,并阐释了电机的运动原理。通过对该定子的结构尺寸进行模态灵敏度分析和计算,实现了其结构动力学优化,并求得定子优化尺寸为34.4mm×59.2mm×11.5mm.建立了电机机电耦合数值分析模型,仿真出定子频响特性曲线以及椭圆运动轨迹。4、基于准H型变截面夹心式定子提出了两种电机装配方案,并基于摩擦学原理对两种方案分别进行了分析,最终得出一种较为可靠的装配方案,为样机的研制提供了理论依据。
参考文献：
[1]. 弯扭复合模态直线超声电机的研究[D]. 李治辰. 辽宁工业大学. 2014
[2]. 双变幅杆V形直线超声电机研究[D]. 杨东. 南京航空航天大学. 2009
[3]. 基于面内弯纵复合模态的直线超声电机研究[D]. 万志坚. 哈尔滨工业大学. 2014
[4]. 驻波超声电机定动子摩擦磨损机理及寿命预测方法[D]. 张彦虎. 哈尔滨工业大学. 2016
[5]. 直线型超声电机在复杂环境下的试验研究[D]. 江超. 南京航空航天大学. 2013
[6]. 矩形复合层板面内弯曲模态直线超声电机研究[D]. 刘仁鑫. 华南农业大学. 2005
[7]. 复合振子型直线超声电机的研究[D]. 陈波. 山东科技大学. 2004
[8]. 国内外直线超声电机的研究现状及关键技术[J]. 邓习树, 吴运新. 微电机(伺服技术). 2005
[9]. U形直线超声电机设计和实验及其并联性能研究[D]. 苏松飞. 南京航空航天大学. 2011
[10]. 基于准H式超声换能器的压电直线电机研究[D]. 肖煜涵. 南昌航空大学. 2015
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