雙振子駐波直線超聲電機的設計與建模.pdf

1、駐波直線超聲電機是最具代表性的直線超聲電機，它在航天、醫(yī)療、精密儀器儀表、機器人等領(lǐng)域中顯示了廣闊的應用前景，得到了越來越廣泛的關(guān)注。目前的駐波直線電機雖然外形多種多樣，但其最基本的工作原理仍較單一，且在電機的整機建模上一直進展緩慢，不利于其研究的進一步發(fā)展。本文提出了一種新原理的駐波直線超聲電機的設計方案，設計加工了樣機，并建立了該電機的整機動力學模型和整機熱力學模型。本文主要的研究內(nèi)容和成果綜述如下：
　　1.簡要地介紹了直線

2、超聲電機的發(fā)展歷史，并重點介紹了駐波直線超聲電機結(jié)構(gòu)設計和理論建模的研究現(xiàn)狀。針對駐波直線超聲電機研究的不足之處，明確了本課題的研究目標。
　　2.提出了雙振子駐波直線超聲電機的設計方法。該方法的主要創(chuàng)新在于：將傳統(tǒng)駐波直線超聲電機定子的復雜耦合模態(tài)振動解耦成兩個簡單的獨立模態(tài)振動，并分別交由一個單模態(tài)振子來實現(xiàn)。由于兩振子是獨立設計的，因此可對它們的結(jié)構(gòu)分別進行調(diào)整，使電機兩項模態(tài)頻率一致。因此，該設計方法可簡化直線超聲電機的設

3、計。根據(jù)該方法，設計加工了一個基于桿結(jié)構(gòu)的雙振子型駐波直線超聲電機。在100Vp的電壓激勵下，樣機最大推力、速度、功率分別達到了47N，0.43m/s和7.85W。
　　3.探討了兩振子的固有頻率差對電機輸出性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)，控制該電機兩振子在自由邊界條件下的固有頻率，電機的輸出性能得到了改善。實驗結(jié)果表明：對該樣機而言，當自由邊界條件下定子的二階縱振固有頻率高于動子一階縱振固有頻率73 Hz時，樣機最

4、大推力、速度和功率分別達到了64.2 N，0.76 m/s和17.4 W；最大推重比達到23.7，最大效率達到39.6％。
　　4.建立了該雙振子駐波直線超聲電機的動力學模型。該動力學模型主要包括：定子與動子的接觸模型、定子的振動模型、動子的振動模型和定子與動子間摩擦傳動模型。利用該動力學模型可以得到定子和動子的模態(tài)特性、振動響應、以及電機直線運動的位移、速度與時間的關(guān)系等。在建模過程中，考慮了定子與動子接觸的非線性因素。

5、　　5.基于動力學模型，利用MATLAB編程，進行了振子模態(tài)特性、電機輸出特性和電機瞬態(tài)特性的仿真，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果一致。在仿真的基礎(chǔ)上，（1）提出一種電機結(jié)構(gòu)設計算法，編寫了程序并設計了人機交互界面，該程序快速準確，方便該型電機的結(jié)構(gòu)設計；（2）提出一種提高電機輸出性能和效率的方法，該方法通過實驗得到了驗證。
　　6.分析總結(jié)了該電機運行中溫度上升的原因，詳細計算了導致電機溫度上升的損耗。在計算的結(jié)果上，利用ANSYS對該電機