行波型超聲波電機的模型仿真與試驗研究.pdf

1、超聲波電機(Ultrasonic Motor，簡稱USM)是一種全新概念的電機，它突破了傳統(tǒng)電磁感應電機的概念，利用壓電陶瓷的逆壓電效應以及電機定子和轉子的摩擦耦合來進行電能與機械能間的能量轉換。超聲波電機的發(fā)展歷史較短，涉及到多個學科，有關超聲波電機運行機理的更深層次研究還處在探索和不斷完善的階段，因此需要在學術研究和工業(yè)應用中做更多的工作。 論文圍繞超聲波電機特別是行波型超聲波電機進行模型仿真，采用三種分析方法對其不同特性進

2、行研究，并對這些電機運行性能進行了測試。論文最后還介紹了兩種新結構電機的設計。 論文共分8章。第1章主要介紹了超聲波電機的發(fā)展歷史、特點、分類、應用以及研究現(xiàn)狀，并結合國內(nèi)外超聲波電機技術的發(fā)展趨勢，闡述了本論文的研究意義和研究內(nèi)容。第2章，首先介紹了行波型超聲波電機中壓電陶瓷的逆壓電效應，然后將電機定子等效成一個圓環(huán)形薄板，分析了電機定子的橫向彎曲固有振動，并給出兩種行波型超聲波電機的工作模態(tài)的振型。最后，根據(jù)振動分析結果，簡

3、要分析了電機定子表面運動以及定子和轉子間的接觸情況。在第3章中，作者利用有限元分析方法對行波型超聲波電機進行仿真，并介紹了行波型超聲波電機定子的模態(tài)分析、諧響應分析以及阻抗特性分析，對直徑為60mm和100mm的電機定子進行了仿真計算，并利用有限元方法對100mm電機的定子支撐進行了優(yōu)化。本章的最后介紹了電機轉子的有限元分析：包括轉子的模態(tài)分析、靜力學分析以及接觸分析，在此基礎上對轉子結構進行了優(yōu)化。第4章中對直徑為60mm的行波型超聲

4、波電機的定子和轉子的接觸模型進行研究，將電機定子等效成一個復合梁，分析定子表面的質(zhì)點運行規(guī)律，并且研究考慮齒的放大作用時的定子和轉子間接觸情況。最后將接觸模型與轉子運行方程結合，建立了基于二維線性接觸的仿真模型，并用于實際電機。在第5章中，作者通過對電機定子振型的假設，利用Hamilton能量變分原理，建立了完整的行波型超聲波電機動力學仿真模型。根據(jù)實際電機參數(shù)，計算出電機仿真模型的參數(shù)，利用Matlab對電機的動力學仿真模型進行了求解

5、，給出了仿真得到的行波型超聲波電機的起動過程，并分析了預壓力和驅(qū)動頻率對電機性能的影響。第6章主要介紹了電機的輸入阻抗、起動過程以及運行特性的測試方法，并利用這些方法對實際電饑進行了測試，將測試結果與前面各章內(nèi)仿真計算得到的結果進行比較。最后設計實驗，測試了電機在不同預壓力下的工作特性以及電機的微步進運行。在第7章中，作者介紹了圓柱定子三自由度超聲波電機和基于薄板面內(nèi)振動的直線型超聲波電機的設計，并對三自由度超聲波電機結構進行了優(yōu)化，提