【摘 要】
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超声电机是涉及材料学、力学以及电学等众多领域的一项新兴科学技术。超声电机是应用压电陶瓷逆压电效应,通过电能到机械能的转化实现动力输出的一种驱动装置,突破了电磁电机利用磁场产生扭矩的传统驱动理念,凭借一种全新的驱动理论在电机领域占据一席之地。超声电机原理新颖、结构简单,相较于传统电磁电机,具备低速大转矩、断电自锁、定位精度高以及不受电磁干扰等诸多较为突出的优点,这使得超声电机在众多领域崭露头角并起到
【基金项目】
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国家自然科学基金,项目名称为:基于分区纵振激励与复合摩擦致动的夹心式压电驱动机构研究,项目编号为51905316;
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超声电机是涉及材料学、力学以及电学等众多领域的一项新兴科学技术。超声电机是应用压电陶瓷逆压电效应,通过电能到机械能的转化实现动力输出的一种驱动装置,突破了电磁电机利用磁场产生扭矩的传统驱动理念,凭借一种全新的驱动理论在电机领域占据一席之地。超声电机原理新颖、结构简单,相较于传统电磁电机,具备低速大转矩、断电自锁、定位精度高以及不受电磁干扰等诸多较为突出的优点,这使得超声电机在众多领域崭露头角并起到不可替代的作用。超声电机发展至今,在照相机自动对焦系统、医疗器械以及精密仪器等领域已逐步成为最优选择。本文首先介绍了传统经典行波型超声电机的结构及其工作原理,针对现有的单面及双面驱动下的行波型超声电机进行优缺点分析。以此为基础,提出了本文的主要研究对象——贴片式行波型双面交错齿超声电机,在以双面驱动为设计前提下又利用全新的交错齿构型保证了电机整体结构的稳定,进而更深入的提出新的陶瓷激励方式。通过构建定子工作状态的有限元模型,建立定子驱动齿端面质点的振动轨迹方程,推导出电机驱动齿端面质点的运动轨迹为椭圆运动轨迹。针对贴片式行波型双面交错齿超声电机定子进行结构参数灵敏度分析,利用ANSYS进行模态分析及瞬态分析,研究各参数对电机性能的影响,通过分析不同结构参数下定子的谐振频率以及驱动齿质点振幅来确定合理的结构参数。在考虑仿真分析的基础之上又进一步考虑电机后期装配可能带来的隐患,最终确定了电机定子的结构参数。按照最终结构参数建立电机定子有限元模型对其进行模态分析并研究定子支撑板对电机定子振动特性的影响,随后通过瞬态分析,研究定子不同驱动齿上质点的运动轨迹,与之前理论分析结果比较,发现定子驱动齿上质点运动轨迹为椭圆,与理论分析结果相吻合。针对本文提出的贴片式行波型双面交错齿超声电机进行实验研究,搭建实验平台,对电机进行导纳/阻抗特性测试以及振动特性测试,最终对其进行机械输出特性测试。实验结果表明,在频率为28.25 k Hz的150 Vp电压下,该样机的最大空载转速和最大输出转矩为99 rpm和0.19 N·m,其最大输出功率为0.64 W。
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