四转子框架式压电作动器的研究

发布时间：2020-11-19 05:48

　　 无人机的微小型化对环境监测、救灾、反恐以及军事领域都具有重大意义。四旋翼无人飞行器结构简单,但要想在微小型化的过程中走向实用化,还有着诸多挑战。包括随着尺寸和质量的减小带来的飞行稳定性问题和自主飞行控制面临的多变量、非线性和强耦合问题,而动力源是微型化最大的障碍。目前普遍采用的电磁电机,在缩小到毫厘尺寸后机电转换效率急剧下降,续航能力不足。考虑到压电驱动具有的功率密度大、响应快、控制便捷、结构简单紧凑易于微小型化,在毫厘尺寸还能保持较高的效率等特点,尤其无电磁辐射和抗电磁干扰在军事应用中所具有的独特价值,提出利用逆压电效应和摩擦作用构建簧片式和框架式压电作动器,探索微小型四旋翼压电驱动新方法。八个簧片穿过偏心槽圆柱环压紧在定子的外表面,在定子回转作用下旋转,形成单转子簧片式旋转压电作动器。定子工作模态为二阶弯曲振动,便于夹持和驱动。原理样机实验表明,在驱动电压为325 Vpp时,转速为1947.3 r/min,转矩为1.32 mN·m,安装半径30 mm旋翼获得的升力仅为0.06 g。四个圆环由变截面压电复合梁连接形成正方形框架机身,四个圆环的回转运动由连接梁激励,经锥形转子驱动旋翼旋转,形成结构功能一体化的四旋翼飞行器。原理样机在驱动电压为350 Vpp时,转速2000 r/min、安装直径35 mm旋翼产生升力为0.6 g。经结构优化和小型化设计后,重量降低82.6%(5.8 g)、展长缩小48.9%(74.6 mm),在驱动电压为350 Vpp时,转速提升140%(4800 r/min),转矩为7.5 mN/m,升力为1.6 g。采用轻量化材料并进一步优化后,有望实现飞行。
【学位单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V279
【部分图文】：

尤其无电磁辐射和抗电磁干扰在军事应用中所具有的独特价值，课题组提出了利用逆压电效应和摩擦原理建立旋翼的压电驱动方法，通过构建簧片式和框架式压电作动器，以提高转速，减轻重量、减小能耗、简化结构为主要目标优化结构[16-20]，探索微小型四旋翼飞行器压电驱动新原理。1.2 微小型四旋翼无人飞行器的发展现状现有的四旋翼无人飞行器都属于微小型无人飞行器的范畴，主要包括遥控四旋翼飞行器、小型四旋翼低空无人飞行器和微型四旋翼低空无人飞行器[21]。近年来，关于如何制造一台成熟的遥控四旋翼飞行器已经取得了相当的技术突破。遥控四旋翼飞行器已经实现了完全的商业化和民用化[22]，藉由智能设备的全面发展普及和对高效智能无人设备的普遍需求，在批量化的硬件生产与实际的长效使用方面，全球出现了一批例如我国大疆这样的民用遥控四旋翼飞行器制造厂商，如图 1.1 所示。通过自身成熟的产品技术以及与摄影成像实时传输技术的有效结合，遥控四旋翼飞行器在农业、能源、建筑、媒体、公共安全和基础设施等各个领域发挥着越来越重要的作用。

图 1.4 楔形超声电机[28]的 AOYAGI 等人开发了一款高速超薄超声电机，如图 1式，定子由 0.15 mm 厚的不锈钢薄片以及 0.2 mm 厚的薄片的两侧，且在厚度方向上均匀极化。旋转轴直径为轴自身的振动频率调开，尽可能的减小旋转轴自身的变于自身的弯曲振动。此电机工作频率为 170kHz，在激条件下，转速达到了8000r/min，通过瞬态响应预估的最该高速超薄超声电机实现了高转速以及低能耗，但是定子氧化铝碎片的方式，虽然转速略微降低但磨损率会显著楔形超声电机相比效率低下，主要原因在于定转子表面

南京航空航天大学硕士学位论文1982 年，日本学者 Toshiiku Sashida 提出的楔形超声电机是世界上最早的模态转换型，其基本结构如图 1.4 所示[28]。定子由一个在端部带有振动片的兰杰文振子构成，楔以一定的角度压紧在转子的外圆端面。其基本原理为：激励兰杰文振子产生纵向振动动片沿着振子轴向振动。振动片的顶端与转子外圆端面间发生相互作用，转子对楔形生周期作用力，使振动片发生垂直于振子轴向的弯曲振动，从而在振动片顶端产生椭迹，通过摩擦作用来驱动转子转动。该楔形超声电机的工作频率为 27.5 kHz，输入功，机械输出功率为 50 w，输出转矩为 0.25 N·m，效率为 55%[42]。
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本文编号：2889790