壓電-金屬縱向疊加復(fù)合梁結(jié)構(gòu)直線超聲電機的研究.pdf

1、超聲電機（Ultrasonic Motor，簡稱USM），是近年來發(fā)展起來的一種新型固體壓電驅(qū)動器。同傳統(tǒng)式電磁電機相比，超聲電機驅(qū)動具有結(jié)構(gòu)簡單、功率密度大、低速大轉(zhuǎn)矩、定位精度高、響應(yīng)速度快、斷電自鎖和無電磁干擾等特點，從而在航空航天、光學(xué)儀器、半導(dǎo)體制造、智能機器人、醫(yī)療器械和汽車等特殊要求領(lǐng)域替代傳統(tǒng)電機，表現(xiàn)出優(yōu)良工作品質(zhì)，具有廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景。
　　目前直線超聲電機面臨設(shè)計方法原始、效率低、可靠性低、壽命短等問題而

2、難于實用化的困境。鑒于此，當(dāng)前直線超聲電機研究研究熱點主要圍繞在三個方面展開：建立并完善電機所需振動、摩擦、壓電等理論和模型；提出新構(gòu)型新原理超聲電機并研究其特有的設(shè)計、運動控制等規(guī)律；研制適用的壓電、摩擦、粘接等新型功能材料和制造工藝。本文選擇了金屬-壓電縱向疊加復(fù)合梁結(jié)構(gòu)直線超聲電機的研究方向，主要圍繞前兩個方面展開研究，同時在制作樣機開展實驗過程中對第三個方面問題進(jìn)行探討和研究。
　　目前分析復(fù)合梁所采用 Bernoulli

3、-Euler細(xì)梁理論，分析誤差大。根據(jù)所提出電機徑長比大的結(jié)構(gòu)特點，電機力學(xué)模型采用了計及剪切變形和轉(zhuǎn)動慣量的Timoshenko梁理論進(jìn)行建模和分析。梁力學(xué)模型為異型材料縱向疊加且局部為變截面，采用傳統(tǒng)解析法無法得到特征頻率的封閉解析解，因此采用傳遞矩陣法，按不同材料和截面將離散化的梁模型等效為若干力學(xué)二端元件，推導(dǎo)出彎振梁系總體傳遞矩陣，利用相應(yīng)的邊界條件可得到頻率方程頻率方程和振型函數(shù)，取得了較高的分析精度。
　　傳統(tǒng)橫向疊

4、加復(fù)合梁式駐波直線超聲電機功率小、電-機能量轉(zhuǎn)換效率低且難于實現(xiàn)雙向運動，針對于此，提出了一種基于金屬-壓電縱向疊加復(fù)合梁結(jié)構(gòu)的雙向駐波直線超聲電機。分析了電機的雙向致動機理，研究了驅(qū)動齒端的振動軌跡，證明了該振動軌跡為具有一定傾角的簡諧直線振動。基于金屬-壓電復(fù)合梁理論，設(shè)計了電機的諧振頻率，提出了調(diào)整壓電陶瓷分布位置的方法，創(chuàng)建了電機驅(qū)動齒振動軌跡圖譜。最后利用有限元法計算了電機的工作頻率、模態(tài)振型和驅(qū)動齒端軌跡，并與理論計算結(jié)果進(jìn)

5、行了比對。
　　現(xiàn)有縱彎復(fù)合直線電機因結(jié)構(gòu)缺陷，兩驅(qū)動點處軌跡不匹配導(dǎo)致爭力而降低了電機效率，并且分析結(jié)果表明縱彎電機最佳驅(qū)動點位于彎振波腹處。針對于此，提出了壓電-金屬縱向疊加復(fù)合梁結(jié)構(gòu)雙足式和單足式兩種電機，分析了電機的工作原理。在設(shè)計過程中研究了不規(guī)則形狀復(fù)合梁諧振頻率計算方法，完善已有的夾心縱振換能器理論，并基于這些理論提出縱彎諧振頻率簡并方法、橢圓軌跡計算方法。最后，利用有限元法對電機模型進(jìn)行了模態(tài)和瞬態(tài)分析，得出電機的

6、工作頻率、模態(tài)振型和驅(qū)動齒端軌跡，并與理論計算結(jié)果進(jìn)行了比對。
　　針對縱彎電機具有縱彎耦合的性質(zhì)，用導(dǎo)納特性測試方法得到了端口組合下單足電機集總參數(shù)等效電路元件參數(shù)值，結(jié)合所測得導(dǎo)納圓形態(tài)特征，提出帶耦合環(huán)節(jié)的縱彎電機等效電路模型，計算出各分立元件參數(shù)，將電路仿真結(jié)果與測試結(jié)果比對，驗證了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。另外，利用測量電機殘余振動波形的動態(tài)分析方法，研究了等效電路電阻元件在功率驅(qū)動狀態(tài)下參數(shù)變化的規(guī)律。最后，樣機制作過程中研究了電