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压电定子与压电转子振型嵌合式旋转型行波超声电机

作　者: 侯飞
导　师: 纪跃波
学　校: 集美大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 压电定子压电转子旋转型行波超声电机嵌合
分类号: TM359.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

目前旋转型行波超声电机转子所输出的转矩和转速均来自定子表面与转子局部接触区椭圆运动摩擦驱动，这种局部接触区域摩擦驱动方式是当前超声电机在输出转矩、使用寿命方面存在瓶颈的主要原因。基于此，本文提出并研究定子和转子均采用压电振子的压电定子与压电转子振型嵌合式旋转型行波超声电机结构模型，通过定转子的初始位置匹配装配和实时记录转子转角参数，对压电定子与压电转子进行振动控制，使压电定子和压电转子在电机启动和运行过程中都保持振型互相啮合的驱动状态，克服传统旋转型行波超声电机局部接触摩擦驱动方式的缺陷，有望提高电机能量利用效率、输出更大力矩、提高使用寿命。本文围绕设计出压电定子与压电转子振型嵌合式旋转型行波超声电机，对这种超声电机进行了驱动机理、建模、设计、仿真以及实验研究。现将本文内容综述如下：首先，系统地介绍了旋转型行波超声电机的工作原理、结构特点及应用，综述了旋转型行波超声电机的研究现状，指出了目前旋转型行波超声电机所存在的问题。其次，深入探讨了压电定子与压电转子振型嵌合式旋转型行波超声电机的驱动机理，重点讨论了该电机理论转速并与传统的旋转型行波超声电机的理论转速进行比较，系统地介绍了压电振子的压电现象和压电特性。再次，以直径为60mm的环形超声压电振子为研究对象，应用有限元软件ANSYS10.0对其进行了振动仿真分析，并深入讨论了不同材料参数和不同结构参数影响；同时对压电转子上预压力加载进行了静力学仿真分析，并求出所加载腹板上预压力与压电定转子间预压力的关系。最后，采用阻抗法对超声压电振子进行了扫频测试实验研究，测试结果与有限元仿真结果相比较，得出了基本一致的结论，验证了有限元仿真分析的正确性。同时对制作的样机进行转速测试得出：当只对压电定子施加2相激励电压时，此时样机转速为28r/min；当同时对压电定子和压电转子施加电压激励时，样机转速明显变快，但电机转速不平稳且噪声加大。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 旋转型行波超声电机结构与基本原理  10
  1.2 旋转型行波超声电机的特点及应用  10-13
    1.2.1 旋转型行波超声电机的特点  10-11
    1.2.2 旋转型行波超声电机的应用  11-13
  1.3 旋转型行波超声电机的研究现状  13-16
    1.3.1 新型样机结构的研究  14
    1.3.2 电机理论模型的研究  14-15
    1.3.3 电机驱动控制技术的研究  15-16
  1.4 本文课题的提出及研究的主要内容  16-17
    1.4.1 本文课题的提出  16
    1.4.2 本文研究的主要内容  16-17
第2章压电效应与压电现象  17-22
  2.1 压电陶瓷的压电效应与极化  17-18
    2.1.1 压电陶瓷的压电效应  17
    2.1.2 压电陶瓷的极化  17-18
  2.2 压电方程及性能参数  18-20
    2.2.1 超声电机的压电方程  18
    2.2.2 压电陶瓷的性能参数  18-20
  2.3 压电振子的振动模态及谐振特性  20-22
    2.3.1 压电振子的振动模态  20-21
    2.3.2 压电振子的谐振特性  21-22
第3章压电定子与压电转子振型嵌合式旋转型行波超声电机运行机理  22-30
  3.1 电机结构及工作原理  22-23
    3.1.1 电机结构  22
    3.1.2 电机工作原理  22-23
  3.2 电机运动分析  23-30
    3.2.1 超声压电振子行波的形成  23-25
    3.2.2 压电转子转速的计算  25-27
    3.2.3 与传统旋转型行波超声电机转速的比较  27-28
    3.2.4 任意时刻电机嵌合运行条件  28-30
第4章环形超声压电振子的设计仿真及实验  30-50
  4.1 环形超声压电振子共振频率计算  30-31
  4.2 超声压电振子振动分析  31
  4.3 ANSYS 用于超声压电振子的分析方法  31-32
  4.4 环形超声压电振子的模态分析及振动模态选择  32-37
    4.4.1 环形超声压电振子的模态分析  32-37
    4.4.2 环形超声压电振子的工作模态选择  37
  4.5 超声压电振子模态混叠现象讨论  37-38
  4.6 不同参数对超声压电振子模态频率的影响  38-45
    4.6.1 不同材料参数对超声压电振子模态频率的影响  38-40
    4.6.2 不同结构参数对超声压电振子模态频率的影响  40-45
  4.7 环形超声压电振子的谐响应分析及齿形结构的影响  45-46
    4.7.1 环形超声压电振子的谐响应分析  45-46
    4.7.2 齿形结构对环形超声压电振子振幅的影响  46
  4.8 环形超声压电振子的设计及实验  46-50
    4.8.1 环形超声压电振子的结构设计  46-47
    4.8.2 环形超声压电振子的扫频实验  47-50
第5章样机总体设计与实验  50-63
  5.1 样机本体部分结构设计  50-59
    5.1.1 腹板的结构设计与静力学仿真  50-58
    5.1.2 输出轴类的结构设计  58-59
    5.1.3 电机壳体类的结构设计  59
  5.2 样机装配  59-60
  5.3 样机实验  60-63
    5.3.1 基于光电编码器测速方法  60-61
    5.3.2 样机测试方案  61-62
    5.3.3 实验现象与结构分析  62-63
第6章总结与展望  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-68
在学期间发表的学术论文  68

压电定子与压电转子振型嵌合式旋转型行波超声电机

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