【摘要】：與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比,超聲波電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、低速大轉(zhuǎn)矩、電磁兼容性好等優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用在航空航天、醫(yī)療器械和精密儀器等領(lǐng)域。由于超聲波電機(jī)在微小型化產(chǎn)品的應(yīng)用中更具優(yōu)勢(shì),因此在保證體積不變的條件下,提高超聲波電機(jī)的功率和效率具有重要的研究意義和工程價(jià)值。本文建立了壓電振子含三類損耗的等效電路模型,并研究損耗特性對(duì)于機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的影響。介紹一種新型駐波型超聲波電機(jī),并通過(guò)含損耗的等效電路模型,對(duì)電機(jī)定子特性進(jìn)行分析。在新型電機(jī)的研究基礎(chǔ)上,分別開(kāi)發(fā)了具有自校正步進(jìn)特性、大力矩特性以及雙向運(yùn)轉(zhuǎn)特性的駐波型超聲波電機(jī)。此外,本文提出一種壓電作動(dòng)器優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)方式,為進(jìn)一步提高壓電作動(dòng)器(包括超聲波電機(jī))的效率和工作穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)。本論文的主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:1.壓電振子主要包含三類基本損耗,即介電損耗、機(jī)械損耗和壓電損耗。本論文針對(duì)壓電振子常用的k_(31)振動(dòng)模式,建立一種含三類損耗的等效電路模型。通過(guò)對(duì)四種不同負(fù)載結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)分析,證明了壓電陶瓷的三類損耗,尤其是壓電損耗,對(duì)于壓電振子能量耗散機(jī)制的重要影響。2.研究一種具有較高功率密度的新型駐波型超聲波電機(jī)。對(duì)工作于徑向振動(dòng)模式下的定子建立含三類損耗的等效電路模型,通過(guò)仿真結(jié)果分析壓電陶瓷的三類損耗對(duì)共振頻率和反共振頻率處機(jī)械品質(zhì)因數(shù)的影響,并討論定子結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)于定子頻率特性和機(jī)電耦合能力的影響。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為200V_(pp)的方波電壓時(shí),樣機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩可以達(dá)到0.27Nm,空載轉(zhuǎn)速為147r/min。3.針對(duì)壓電作動(dòng)器在共振頻率處發(fā)熱現(xiàn)象較為嚴(yán)重的問(wèn)題,從提高壓電作動(dòng)器效率和性能穩(wěn)定性的角度出發(fā),提出一種優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)方式。通過(guò)大功率測(cè)試系統(tǒng)對(duì)Langevin換能器進(jìn)行恒速度下的功率測(cè)試,可以得出結(jié)論:最小輸入功率(最大機(jī)械品質(zhì)因數(shù))位于共振頻率和反共振頻率之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與在共振頻率處驅(qū)動(dòng)相比,利用優(yōu)化頻率的驅(qū)動(dòng)方案可以使所需的輸入功率下降一半,即機(jī)械品質(zhì)因數(shù)提高為兩倍。4.設(shè)計(jì)一種新型自校正式步進(jìn)超聲波電機(jī),該電機(jī)通過(guò)定子彈性葉片和轉(zhuǎn)子定位槽的配合設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)在開(kāi)環(huán)控制下無(wú)累積誤差的步進(jìn)運(yùn)行。電機(jī)的外徑設(shè)計(jì)為30mm,高度為10mm。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究表明,樣機(jī)的步距角為45°,在100V_(pp)的驅(qū)動(dòng)電壓下,堵轉(zhuǎn)力矩可以達(dá)到55mNm。與同類型步進(jìn)電機(jī)相比,新型結(jié)構(gòu)的步進(jìn)電機(jī)兼具體積小,轉(zhuǎn)矩大和驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì),并具有極高的可擴(kuò)展性。5.在新型駐波型超聲波電機(jī)的基礎(chǔ)上,分別設(shè)計(jì)一種大力矩駐波型超聲波電機(jī)和一種雙向駐波型超聲波電機(jī)。通過(guò)對(duì)具有特殊性能的電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì),擴(kuò)展了此類駐波型超聲波電機(jī)的應(yīng)用范圍。
【圖文】：

A. Williams 和 W. Brown 就申請(qǐng)了歷史上第一個(gè)“壓電oelectric Motor）的美國(guó)專利[1]，其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示，四片壓電陶瓷分別粘振子的側(cè)面上，并分為兩組分別施加兩相正交電壓，，激發(fā)出兩個(gè)頻率相同的從而使彈性體端部形成橢圓搖擺運(yùn)動(dòng)。但由于當(dāng)時(shí)材料性能和加工技術(shù)的 USM 沒(méi)有得到進(jìn)一步發(fā)展。

A. Williams 和 W. Brown 就申請(qǐng)了歷史上第一個(gè)“壓電oelectric Motor）的美國(guó)專利[1]，其結(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示，四片壓電陶瓷分別粘振子的側(cè)面上，并分為兩組分別施加兩相正交電壓，激發(fā)出兩個(gè)頻率相同的從而使彈性體端部形成橢圓搖擺運(yùn)動(dòng)。但由于當(dāng)時(shí)材料性能和加工技術(shù)的 USM 沒(méi)有得到進(jìn)一步發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM359.9

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本文編號(hào)：2632782