矩形板超聲電機的振子振型激勵技術(shù)研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的電磁電機不同,超聲電機是基于摩擦驅(qū)動原理的一類新型電機。超聲電機利用彈性壓電振子的共振,通過摩擦耦合驅(qū)動與其接觸的動子運動。該類電機具有低速大轉(zhuǎn)矩、功率體積比高、結(jié)構(gòu)緊湊、定位精度高、不受電磁干擾、斷電自鎖等優(yōu)點,可以滿足直接驅(qū)動領(lǐng)域、精密驅(qū)動領(lǐng)域和無磁驅(qū)動領(lǐng)域?qū)︱?qū)動器的微型化、精密化和智能化的要求。為了成功地設計出超聲電機,并使超聲電機輸出較好的工作性能,必須研究超聲電機的振子振型激勵技術(shù)。在預壓力和負載一定的情況下,振子對動

2、子做功大小,取決于振子表面接觸點的運動軌跡。而振子表面接觸點的運動軌跡,是振子在所有工作模態(tài)下振動的綜合作用。因此如何有效地激勵出振子的工作模態(tài),并使各個工作模態(tài)成功耦合是超聲電機設計的核心工作,也是提升超聲電機輸出性能的關(guān)鍵。對于特定尺寸的壓電振子來說,振子表面質(zhì)點的運動軌跡主要受振子工作模態(tài)的類型、工作模態(tài)的耦合方式、激勵信號的電壓、頻率及其施加位置等因素的影響。本文主要圍繞著如何有效地激勵出超聲電機的工作模態(tài)、并使各模態(tài)之間成功耦

3、合,從三個方面研究矩形板超聲電機的振子振型激勵技術(shù),這三個方面為:
　　(a)振子的工作模態(tài)耦合方式。
　　(b)振子各工作模態(tài)的頻率一致性調(diào)節(jié)方法。
　　(c)激勵信號的施加位置確定方法。
　　本文的主要工作如下:
　　1.提出并實現(xiàn)了一種矩形板超聲電機的雙頻模態(tài)疊加激勵方法,得出了兩個不同頻率的模態(tài)可以疊加在一起的條件。采用這種激勵方式時,在振子上同時激勵出兩個不同頻率的彎曲振動模態(tài)。振子表面接觸點在振

4、子和動子接觸面的切向和法向的振動分別是由兩個振動模態(tài)的分量疊加而成,因此可以獲得較大的振動強度,振子可以對動子做更多的功。通過對壓電振子表面的銀電極進行分區(qū),選擇不同的分區(qū)來分別激勵各個模態(tài),可以使每個模態(tài)都能同時獲得較大的振動幅值。根據(jù)理論分析,成功地制作了采用雙頻模態(tài)疊加激勵的矩形板超聲電機,并測量了該電機的輸出特性,證明了該激勵方法的有效性。
　　2.提出了一種基于遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡和有限元算法的超聲電機工作模態(tài)頻率一致性的

5、自動調(diào)節(jié)方法。該調(diào)節(jié)方法將壓電陶瓷和金屬基體組成的復合壓電振子作為研究對象,用有限元方法建立了復合壓電振子的機電耦合動力學模型,更準確地描述了壓電振子的機電耦合現(xiàn)象。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對ANSYS輸出結(jié)果中的目標模態(tài)進行識別,減少了人工干預,可以實現(xiàn)矩形板超聲電機縱、彎模態(tài)頻率一致性的自動調(diào)節(jié),能大大加快求解過程,提高求解精度。計算結(jié)果顯示,采用該調(diào)節(jié)方法,可以使矩形板超聲電機的縱、彎模態(tài)的頻率差計算值減小至1.146Hz。
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6、.提出了一種將人工免疫算法和有限元算法相結(jié)合的確定矩形板超聲電機振子的最佳激勵區(qū)域的方法。該方法將快速、高效的人工免疫算法應用到超聲電機的設計中,可大幅節(jié)約計算時間。該方法將振子對動子做的功作為解的評價標準,而不是只考慮振子在某個方向的位移作為目標函數(shù),使計算結(jié)果更能接近超聲電機的實際工作情況。計算結(jié)果表明,使用該方法確定超聲電機的最佳激勵位置及最佳激勵電極面積,算法可以快速地收斂到全局最優(yōu)解。對兩個振子,包括五種激勵情況下的無負載轉(zhuǎn)速