新型行波旋转超声电机的设计与研究

发布时间：2017-10-21 01:23

  本文关键词：新型行波旋转超声电机的设计与研究

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【摘要】：超声电机(Ultrasonic Motor, USM)是一种全新概念的微特电机。它打破了传统电磁感应电机驱动的概念,而是利用压电陶瓷的逆压电效应以及电机定、转子的摩擦耦合来将电能转化为机械能,实现电机驱动。超声电机的发展历史虽短,但显示出了蓬勃的生命力,尤其在航空航天、医疗器械、精密仪器仪表以及新型武器装备等领域具有广阔的应用前景。目前,行波型旋转超声电机是投入应用较为广泛的一种超声电机,其显著特点是结构紧凑、低速大扭矩、断电自锁、无电磁干扰、位移分辨率高等,特别适用于小(微)型化和精密仪器的驱动和控制。本文提出了一种新型行波旋转超声电机,基于有限元分析方法,针对电机定子进行了深入的研究。主要内容和研究成果概括如下：1、分析了压电陶瓷元件通过诱发应变来实现电能转化为机械能的工作原理,简要地介绍了行波型旋转超声电机的结构,从而阐述了激发行波型旋转超声电机定子行波的必要条件,分析了定子产生行波后其表面质点椭圆运动轨迹的形成机理；2、建立了基于能量等效原则的超声电机的动力学模型,为下文设计新型行波旋转超声电机提供一定的理论依据,并分析了超声电机在一个周期内所做的总功由定子的结构损耗、摩擦接触面的损耗和转子的输出功三部分构成；3、在上述基础上设计了一种创新型施加预压力的行波型旋转超声电机,该装置采用定子浮动,转子固定,预压力由定子向转子施加的方式,此外定子采用辐射板结构,在定子振动时,辐射板之间空气加速流动,可以帮助消除定子与转子摩擦驱动过程中产生的热量,延长电机的使用寿命；4、搭建了基于激振器、功率放大器、扫频信号发生器等组成的超声电机模态实验的测试平台,得到了新型行波旋转超声电机定子结构前三阶的固有频率,为下文验证有限元分析的可靠性提供实验数据；5、介绍了在新型行波旋转超声电机定子的设计过程中有限元分析软件ANSYS Workbench的应用,通过设计不同的定子结构和改变定子辐射板的槽宽、外径以及厚度等结构参数,运用有限元对定子结构进行模态分析和谐响应分析,比较不同的结构参数对定子振动的固有频率及幅值的影响,然后选择最佳状态下所对应的定子辐射板的结构参数,达到定子辐射板结构优化的目的。
【关键词】：超声电机 结构设计 有限元分析 结构优化 实验研究
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM359.9
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 课题的研究背景及意义8
• 1.2 国内外超声电机的发展历史及研究现状8-12
• 1.2.1 国内外超声电机的发展历史8-11
• 1.2.2 超声电机的研究现状及发展趋势11-12
• 1.3 超声电机的特点及其分类12-14
• 1.3.1 超声电机的特点12-13
• 1.3.2 超声电机的分类13-14
• 1.4 超声电机研究过程中尚待解决的问题14
• 1.5 论文的主要研究内容14-16
• 第二章 行波型旋转超声电机的运动机理16-25
• 2.1 压电现象16-20
• 2.1.1 压电效应与逆压电效应16-17
• 2.1.2 压电性能参数17-18
• 2.1.3 压电陶瓷元件的设计18-20
• 2.2 行波型旋转超声电机的运行机理20-24
• 2.2.1 定子表面行波的形成20-22
• 2.2.2 定子表面质点椭圆运动的形成22-24
• 2.2.3 基于定、转子摩擦界面的动力输出原理24
• 2.3 本章小结24-25
• 第三章 行波型旋转超声电机的理论模型25-34
• 3.1 定子的等效模型和参数25-27
• 3.2 定子的振动频率方程27-28
• 3.3 定子的受迫振动解析式28-29
• 3.4 接触面力的传递模型29-32
• 3.5 能量等效数学模型32-33
• 3.6 本章小结33-34
• 第四章 新型行波旋转超声电机的结构设计34-41
• 4.1 初始设计方案34-36
• 4.2 改进设计方案36-40
• 4.2.1 定子的结构设计36-37
• 4.2.2 转子的结构设计37-38
• 4.2.3 碟簧保持架的结构设计38-39
• 4.2.4 法兰盘的结构设计39
• 4.2.5 新型行波旋转超声电机的装配图39-40
• 4.3 本章小结40-41
• 第五章 新型行波旋转超声电机的实验研究41-47
• 5.1 超声电机制作的工艺流程和工艺要求41
• 5.2 压电陶瓷的黏结41-43
• 5.3 定子结构的模态实验43-46
• 5.3.1 实验测试平台的搭建43-44
• 5.3.2 模态实验44-46
• 5.4 本章小结46-47
• 第六章 新型行波旋转超声电机定子的有限元分析与结构优化47-62
• 6.1 有限元方法简介47-49
• 6.1.1 有限单元法的基本原理47-48
• 6.1.2 ANSYS Workbench概述48-49
• 6.2 定子的有限元模型49-50
• 6.3 定子的模态分析50-52
• 6.3.1 定子的振动模态选择51
• 6.3.2 定子的模态分析结果51-52
• 6.4 定子的谐响应分析52-54
• 6.4.1 施加载荷52-53
• 6.4.2 定子的谐响应分析结果53-54
• 6.5 理论模型、有限元模型与实验结果分析54-56
• 6.5.1 理论模型与有限元模型结果对比55
• 6.5.2 有限元模型与实验结果对比55-56
• 6.6 定子的结构优化56-61
• 6.6.1 定子结构几何模型56-58
• 6.6.2 五种定子结构对振动模态的影响58-59
• 6.6.3 定子辐射板的槽宽对振幅的影响59
• 6.6.4 定子辐射板的外径对振幅的影响59-60
• 6.6.5 定子辐射板的厚度对振幅的影响60-61
• 6.7 本章小结61-62
• 第七章 总结与展望62-64
• 7.1 研究工作总结62-63
• 7.2 研究展望63-64
• 参考文献64-67
• 致谢67-68
• 攻读硕士学位期间主要的研究成果68-69

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本文编号：1070475