声表面波驱动的非接触式马达研究

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声表面波马达是一种使用声表面波(通常为高频瑞利波)驱动的超声马达。它除了具有超声马达的优点如高输出力、高力矩、高速度、精确定位等等外,还有一些其他的优点,如高能量密度、容易实现平面集成化及更易于小型化等等。与接触式马达利用摩擦力驱动不同,近年来新发展的非接触型超声波马达定、转子不直接接触,利用定、转子间的流体作为能量传递的介质,具有无摩擦损耗、寿命长、转速高等优点。   本文主要对声表面波驱动的非接触式马达进行研究。首先对声表面波驱动的非接触式直线马达进行了实验研究,并在此基础上对声表面波驱动的直线马达进行了理论分析。然后对声表面波驱动的非接触式旋转马达进行了实验研究。论文由五个部分组成:   在第一章中,首先回顾了超声马达的研究历史,其次简要介绍了超声马达的分类情况。然后介绍了声表面波马达及其主要类型。在本章的最后给出本文所研究内容和论文的基本框架。   第二章对声表面波驱动的非接触式直线马达进行了实验研究。本章首先介绍了声表面波马达和非接触式超声马达的研究状况,然后在此基础上,提出了声表面波驱动的非接触式直线马达,并且对滑片速度与激励电压、液体层厚度以及液体粘度间的关系做了实验研究。实验结果表明:(1)滑片运动位移随时间增长近似地先指数增加后线性增大。滑片速度开始时急剧加速而后趋于饱和。(2)当叉指换能器的工作频率和液体层厚度不变时,存在一个阈值电压,这是驱使滑片运动的最小激励电压。然后,滑片速度随着叉指换能器的激励电压的增加而增加。除此之外,存在一个临界电压,是滑片速度随电压变化快慢的转折点,在临界电压之后,滑片速度随电压变化较快,这是因为液体层湍流的影响。(3)滑片速度先开始随着液体(水)层厚度快速增加,然后随着液体(水)层厚度的增加而减小。(4)滑片速度随着液体(甘油水溶液)粘度的增加而指数衰减。(5)比较两种不同工作频率的马达的实验结果,工作频率小的马达的速度比工作频率大的马达的速度大。然而,为了小型化马达,必须提高马达的工作频率。   在第三章中,所用的声表面波驱动的非接触式直线马达的理论模型是根据Nyborg等人的界面声流理论,分别以日本的Shiokawa等人对叉指换能器激励声表面波驱动液体运动的声流场的理论为基础建立理论模型Ⅰ和以胡俊辉等人提出的楔形板上激发驻波使得滑片运动的理论模型为基础建立理论模型Ⅱ,并进行了进一步的分析。   通过两种理论模型可以得到:利用理论模型Ⅰ计算可得滑片速度与激励电压峰峰值成正比关系,与实验结果非常符合,滑片速度随着液体(水)层厚度的增加而指数衰减,与在液体(水)层厚度大于3mm左右时的实验结果符合。而理论模型Ⅱ计算的滑片速度与激励电压峰峰值成正比关系,但是其滑片速度与液体(水)层厚度的理论计算出现极值点。通过计算可知,理论模型Ⅰ更加合理。   在第四章中,主要研究了声表面波驱动的非接触式旋转马达的实验研究。该马达是在声表面波驱动的非接触式直线马达以及声表面波驱动的旋转马达的基础上提出的。本章首先介绍了声表面波驱动的接触式旋转马达,然后提出了声表面波驱动的非接触式旋转马达,并通过改变非接触式旋转马达的几个参数,如叉指换能器的激励电压、液体层厚度、液体粘度研究了非接触式旋转马达。可以得到以下结论:(1)转子运动位移随时间增长先近似地指数增加,而后线性增加。转子角速度先加速而后趋于稳定。(2)当叉指换能器的工作频率和液体层厚度不变时,转子角速度随着叉指换能器的激励电压的增加而增加。除此之外,存在驱使转子运动的最小激励电压。另外,当叉指换能器的激励电压达到一定值时,转子角速度趋向饱和。(3)转子角速度先开始随着液体(水)层厚度快速增加,然后随着液体(水)层厚度的增加而减小。再然后随着液体(水)层厚度的增加而增加,最后到液体(水)层厚度继续增加,在一定范围内,转子角速度基本不变,有关这种现象尚无法合理解释。(4)转子角速度随着液体(甘油水溶液)粘度的增加而指数衰减。   最后,在第五章中,对全文进行了总结。
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