低电压驱动的旋转型压电作动器研究

发布时间：2020-06-28 12:30

【摘要】：随着电子科技的蓬勃发展,尖端设备的发展越来越趋于高度集成化与小型化。其中,在运动执行机构方面,压电作动器因为具备结构简单紧凑,能量密度高且不受电磁干扰等特点,十分适于整合到小型机电系统当中。然而,由于压电器件中压电陶瓷的场致应变非常小,使得绝大多数的压电作动器件需要较高的驱动电压,高电压驱动使压电作动器的应用领域受到极大限制,严重制约了其在诸多领域内的综合性应用。比如,在航空航天领域中,降低压电作动器的驱动电压可有效地减轻电源的质量和减少火灾隐患。与此同时,将压电作动器驱动电压降低至人体安全电压在医疗器械领域中的需求也是十分迫切的。因此,研发低电压驱动的压电作动器是现如今压电技术发展的重要方向。本文的主要内容包括:1、在分析现有的旋转型超声电机和非共振旋转压电作动器各自的优势与不足的基础上,由于压电叠堆具备低电压驱动的特点,选择压电叠堆作为核心激振单元。2、结合压电叠堆的输出特性提出了与其适配的柔性夹持机构,建立了包括柔性铰链、柔性曲壳、柔性杠杆等柔性结构的力学模型,为后续压电作动器的设计奠定了基础。通过结合超声电机摩擦驱动机理和现有的非共振压电作动技术,提出利用多级柔性杠杆之间的联动将压电叠堆输出位移放大的方法实现作动器在非共振状态下的摩擦驱动,设计了一种多级杠杆联动型压电旋转作动器。通过参数化仿真的办法,优化了该作动器内部柔性杠杆的空间排布与几何尺寸,增强了柔性杠杆的位移放大效果。制作原理样机并进行了样机的性能测试测试,实验发现该电机可在4KHz范围内平稳运行。3、为了深入杠杆联动型压电作动器的研究,基于三点定圆理论并通过结构拓扑变换的方法,设计了一种正三角形柔性定子结构,该结构可驱动环形转子转动。本文对该电机的设计原理、仿真优化、接触模型、控制方法做了初步的解释与讨论,为进一步优化实验奠定了基础。综上,本文以实现低电压驱动作为目的,设计了适用于不同要求的旋转型压电作动器的新结构,致力于扩宽压电作动器的应用范围,为高端装备提供低电压驱动的新型压电作动器。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN384
【图文】：

超声电机

低电压驱动的旋转型压电作动器研究选用压电叠堆作为核心激振单元，系统讨论了压电叠堆的振动特性以及与之适配的作动系统的设计。1.1.1 研究背景在 2013 年，我国的嫦娥三号空间探测器所搭载的玉兔号在月球表面着陆，玉兔号内用于驱动红外光谱仪的动力装置所采用的是南京航空航天大学研制的超声波电机，如图 1.1 所示。至此，中国成为世界上第二个将超声电机应用到外太空的国家。这一成功的案例预示着压电电机在未来的人类空间活动中具有广阔的应用前景。具有相关研究经验的人员所熟知的是，压电类电机的驱动电压同比相似尺寸的电磁类电机高，容易在接触不良的状态下发生电机打火，存在一定的安全隐患。火灾事故是人类太空活动中的多发事故之一，其影响十分严重，比如在 1967年，美国宇航局的阿波罗一号空间探测器就因为火灾事故导致三名宇航员遇难，如图 1.2 所示，事故原因是航天器中的电子设备打火，在舱内纯氧环境中火情迅速不受控制。

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【参考文献】