柱面行波超声电机机构及理论研究讲述.pptx

论文导读：柱面驱动行波超声电机的结构决定了它要在径向施加定转子之间的预紧力，才能充分使电机定转子间接触面积大，且沿轴向接触应力均匀一致的优点，以改善接触区应力分布不均现象。在有限元分析 中视激励电场为准静态场，处理时忽略了电位移的变化对定子刚度的影响，不考虑胶层的影响。关键词：超声电机，柱面行波，压电驱动，有限元分析1引言超声波电机是近三十年发展起来的一种新型电机，其 工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，将材料的微观变形通过共振放大和摩擦运动转化成转子的宏观运动，它突破了电磁电机的基本理论，没有电枢绕组和磁路，不依靠电磁相互作用转换能量，应 用了物理、机械振动、电子、材料等学科为基础的功率超声技术[1, 2]。超声波电机结构简单灵活、运动形式多样，具有体积小、重量轻、惯性小、控制精度高、响应速度快、无源自锁、无电磁干扰、噪 声小等优点[3]，取得的成果已广泛应用在光电子、航空航天、生物及遗传工程、机器人和家用电器等诸多技术领域。论文大全。目前大多行波超声电机通常利用园板或者圆环的面外弯曲共振模态[4]，这 种振动模态使得定子振动时在不同半径处的质点轴向振幅不同，当转子为刚性时，定子与转子之间还是以点接触为主，所以不可避免的出现转动不平衡、磨损大以及驱动力矩小等诸多问题[5]，特别是在摩擦 过程中产生大量的热量，导致电机温升快，压电陶瓷会出现热退极化，压电性能逐渐变坏，当达到居里温度时，压电性完全消失，致使电机遭到永久性破坏，所以过快的温升同时降低了电机的机械性能和使用寿 命[6]。对此本文提出一种新型行波柱面驱动压电超声电机，利用壳体沿轴向振动一致的那一类非轴对称振动模式，所以定子上的质点沿轴向振幅相同，定子与转子在动态接触过程中为线接触，电机结构和激 励方式更加简单，运动平稳，驱动力矩大，可控性好。2电机的结构与工作原理2.1电机结构电机设计主要考虑定转子的结构，定转子间的预紧机构及定转子间定位方式等方面。柱面驱动行波超声电机的结构 决定了它要在径向施加定转子之间的预紧力，才能充分使电机定转子间接触面积大，且沿轴向接触应力均匀一致的优点，以改善接触区应力分布不均现象。设计了电机结构如图1所示。定子材料为45#钢，圆 周外表面由28个矩形平面拟合组成，平面粘有压电陶瓷，定子内表面为柱面，柱面均匀分布72个起放大作用的定子尺。基体厚度2.5mm，内径81mm，陶瓷长宽厚分别为20mm、8mm和1.2m m。图1 电机结构图2.2柱面行波驱动机理由波动理论司知两个幅值相等，时间和空间上相差90。的驻波可以合成行波。于是将压电陶瓷片粘贴在弹性棱柱体外表面，当在压电陶瓷上施加交变电压时，压 电陶瓷会产生交替伸缩变形，在一定的频率和电压下弹性棱柱体内就会产生驻波。论文大全。如图2所示。对于周向封闭的圆柱薄壳沿径向的非轴对称振动驻波方程可表示为 （1）式中： A——振子振幅 ；n——沿周向的波数；omega;——振动的角频率。另一组压电陶瓷激励另一个驻波方程，与方程（1）只是在时间及空间上相位分别相差，，其驻波方程为 （2）两列驻波w1和w2叠加后的为一 行波方程 （3）其中“”代表行波的运动方向。当，时， （4）当，时， （5）可见，在压电陶瓷位置固定的情况下，可以通过改变两路激励信号的相位差来改变电机的旋转方向。 图2行波驱动原理 图2.3柱面行波驱动机理定子的振型选择为沿圆柱壳体周向具有7个波峰，沿轴向无波节的振动模态（7，0）。为了能产生空间上的相位差(1/4波长)和时间上的相位差(1/4周期)这两列驻波，压 电陶瓷片的空间位置分布关系为：沿圆周方向均布有28片压电陶瓷，每片压电陶瓷的标号从1到28沿逆时针方向依次递增，图中只标出有代表性的前4片。图中“+”，“-”号代表压电陶瓷的极化方向， 陶瓷片极化方向的确定按图3所示“+”，“+”，“-”，“-”依次循环来确定。设一路电压信号为：uA=Usin(omega;t)，另一路信号为：uB=Ucos(omega;t)。压电 陶瓷片的驱动关系为：奇数片压电陶瓷施加uA，偶数片施加uB。当uA=Usin(omega;t)不变，而uB=-Ucos(omega;t)时，由式（4）（5）可知，行波反向传播，电机 反转。图 3 压电陶瓷的分布及驱动结构图3 有限元分析及试验验证3.1有限元分析采用有限元法能够将定子按照实际的力学效果进行考虑，建模精度高。故借助于有限元软件ANSYS9.0对定子进 行了振动分析。在有限元分析中视激励电场为准静态场，处理时忽略了电位移的变化对定子刚度的影响，不考虑胶层的影响。在对定子进行振动分析时，采用了软件提供的三维十节点单元SOLIDl87对其 进行网格划分。对定子结构中某一参数进行有限元建模计算时，都是基于其余结构参数不变的条件下进行的，以此来获