【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,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,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),并通過含損耗的等效電路模型,對電機(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器優(yōu)化的驅(qū)動方式,為進(jìn)一步提高壓電作動器(包括超聲波電機(jī))的效率和工作穩(wěn)定性提供基礎(chǔ)。本論文的主要研究內(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。本論文針對壓電振子常用的k_(31)振動模式,建立一種含三類損耗的等效電路模型。通過對四種不同負(fù)載結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行仿真和實驗分析,證明了壓電陶瓷的三類損耗,尤其是壓電損耗,對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)。對工作于徑向振動模式下的定子建立含三類損耗的等效電路模型,通過仿真結(jié)果分析壓電陶瓷的三類損耗對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)變化對于定子頻率特性和機(jī)電耦合能力的影響。通過對樣機(jī)的實驗測試結(jié)果表明,當(dāng)驅(qū)動信號為200V_(pp)的方波電壓時,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.針對壓電作動器在共振頻率處發(fā)熱現(xiàn)象較為嚴(yán)重的問題,從提高壓電作動器效率和性能穩(wěn)定性的角度出發(fā),提出一種優(yōu)化的驅(qū)動方式。通過大功率測試系統(tǒng)對Langevin換能器進(jìn)行恒速度下的功率測試,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。實驗結(jié)果表明,與在共振頻率處驅(qū)動相比,利用優(yōu)化頻率的驅(qū)動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)計一種新型自校正式步進(jìn)超聲波電機(jī),該電機(jī)通過定子彈性葉片和轉(zhuǎn)子定位槽的配合設(shè)計,可以實現(xiàn)在開環(huán)控制下無累積誤差的步進(jìn)運(yùn)行。電機(jī)的外徑設(shè)計為30mm,高度為10mm。通過對樣機(jī)的實驗研究表明,樣機(jī)的步距角為45°,在100V_(pp)的驅(qū)動電壓下,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)動方式簡單的優(yōu)勢,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)。通過對具有特殊性能的電機(jī)進(jìn)行設(shè)計,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 就申請了歷史上第一個“壓電oelectric Motor）的美國專利[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)出兩個頻率相同的從而使彈性體端部形成橢圓搖擺運(yùn)動。但由于當(dāng)時材料性能和加工技術(shù)的 USM 沒有得到進(jìn)一步發(fā)展。

A. Williams 和 W. Brown 就申請了歷史上第一個“壓電oelectric Motor）的美國專利[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)出兩個頻率相同的從而使彈性體端部形成橢圓搖擺運(yùn)動。但由于當(dāng)時材料性能和加工技術(shù)的 USM 沒有得到進(jìn)一步發(fā)展。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM359.9

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;三江電器超聲波電機(jī)填補(bǔ)國內(nèi)空白[J];泰州科技;2011年05期

2 莊鎮(zhèn)平;杜棟乾;張貴林;;超聲波電機(jī)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J];肇慶學(xué)院學(xué)報;2018年02期

3 李爭;郭鵬;高世豪;;環(huán)形超聲波電機(jī)的特性分析與實驗研究[J];微電機(jī);2018年05期

4 劉林山;;超聲波電機(jī)的發(fā)展及其在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用[J];電機(jī)技術(shù);2018年04期

5 徐雪榮;吳國東;田秀;付紅偉;任武;;超聲波電機(jī)定、轉(zhuǎn)子在高過載沖擊環(huán)境下的強(qiáng)度計算[J];航天制造技術(shù);2017年05期

6 王付軍;;超聲波電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的建模和仿真[J];計算機(jī)仿真;2012年04期

7 吳曉;堵俊;華亮;李智;王斌;張齊;;超聲波電機(jī)步進(jìn)特性及精密定位控制方法研究[J];電氣傳動;2010年01期

8 張瑞;史敬灼;劉兆魁;;超聲波電機(jī)諧振驅(qū)動電路仿真與實驗研究[J];微電機(jī);2010年03期

9 王波;戴吉巖;郭吉豐;魏燕定;;一種新結(jié)構(gòu)的雙向直線運(yùn)動駐波型超聲波電機(jī)(英文)[J];中國電機(jī)工程學(xué)報;2009年24期

10 周傳運(yùn);;超聲波電機(jī)的原理與應(yīng)用[J];現(xiàn)代物理知識;2007年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 傅平;;超聲波電機(jī)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型[A];系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用（第16卷）[C];2015年

2 白東哲;曹忠波;;關(guān)于相位速度差驅(qū)動超聲波電機(jī)的研究[A];新世紀(jì) 新機(jī)遇 新挑戰(zhàn)——知識創(chuàng)新和高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展（上冊）[C];2001年

3 夏長亮;史婷娜;王太勇;;壓電超聲波電機(jī)技術(shù)發(fā)展水平與應(yīng)用前景展望[A];中國儀器儀表學(xué)會第三屆青年學(xué)術(shù)會議論文集（上）[C];2001年

4 夏長亮;史婷娜;王太勇;;一種適用于壓電超聲波電機(jī)的變頻調(diào)速裝置[A];中國儀器儀表學(xué)會第三屆青年學(xué)術(shù)會議論文集（下）[C];2001年

5 郭吉豐;沈潤杰;賈叔仕;;超聲波電機(jī)在深空探測系統(tǒng)中的應(yīng)用[A];中國宇航學(xué)會深空探測技術(shù)專業(yè)委員會第一屆學(xué)術(shù)會議論文集[C];2005年

6 施進(jìn)浩;李寶庫;;航天用超聲波電機(jī)摩擦材料的研制[A];第十一屆中國小電機(jī)技術(shù)研討會論文集[C];2006年

7 施進(jìn)浩;龔春雨;李寶庫;;登月工程用超聲波電機(jī)的新產(chǎn)品研制策略[A];第十三屆中國小電機(jī)技術(shù)研討會論文集[C];2008年

8 周奇慧;李建好;李寶庫;王子榮;;無接觸旋變位置反饋超聲波電機(jī)組件一體化設(shè)計[A];第十三屆中國小電機(jī)技術(shù)研討會論文集[C];2008年

9 鹿存躍;胡金云;陳宇;周鐵英;;雙振子直線超聲波電機(jī)的設(shè)計[A];第二屆全國壓電和聲波理論及器件技術(shù)研討會摘要集[C];2006年

10 鹿存躍;沈潤杰;郭吉豐;胡金云;;雙振子自走型直線超聲波電機(jī)的研究[A];第九屆全國振動理論及應(yīng)用學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2007年

相關(guān)重要報紙文章 前7條

1 記者　肖國強(qiáng)　通訊員　傅煒琳;馬達(dá)在血管里“奔跑”[N];浙江日報;2005年

2 東經(jīng)控股集團(tuán)有限公司 唐蘇亞;非電磁：微電機(jī)發(fā)展的一個重要方向[N];中國電子報;2005年

3 記者 陳小妹;我市行業(yè)技術(shù)研發(fā)中心建設(shè)取得進(jìn)展[N];閩東日報;2010年

4 通訊員 靳瑩 記者 馮國梧;新型機(jī)器人“懸絲”治癌癥[N];科技日報;2014年

5 慧欣;小電機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊[N];中國電力報;2006年

6 福安記者站 王旺聲 通訊員 沈宇;福安確認(rèn)36家企業(yè)參加“6·18”[N];閩東日報;2010年

7 劉志強(qiáng);龍翔九天[N];科技日報;2007年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 董曉霄;含損耗壓電等效電路模型及在超聲波電機(jī)上的應(yīng)用研究[D];東南大學(xué);2018年

2 陸旦宏;多孤極型空間調(diào)相環(huán)形行波超聲波電機(jī)的研究[D];東南大學(xué);2016年

3 潘鵬;行波型超聲波電機(jī)驅(qū)動和精密伺服特性的研究[D];東南大學(xué);2017年

4 王劍;柱狀超聲波電機(jī)的設(shè)計理論及控制[D];浙江大學(xué);2009年

5 龔書娟;縱扭復(fù)合型超聲波電機(jī)的若干問題研究[D];浙江大學(xué);2005年

6 王光慶;行波型超聲波電機(jī)的若干關(guān)鍵問題研究[D];浙江大學(xué);2006年

7 李斌;液體媒質(zhì)超聲波電機(jī)有限元分析及運(yùn)行特性研究[D];天津大學(xué);2006年

8 徐志科;行波型超聲波電機(jī)的模型仿真與試驗研究[D];東南大學(xué);2005年

9 傅平;多自由度行波型超聲波電機(jī)的基礎(chǔ)研究[D];浙江大學(xué);2007年

10 白洋;一種旋轉(zhuǎn)—直線運(yùn)動的兩自由度超聲波電機(jī)的研究[D];浙江大學(xué);2013年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 吳高勇;雙定子雙轉(zhuǎn)子桿式彎曲型超聲波電機(jī)的研究[D];東北大學(xué);2017年

2 朱肖陳;機(jī)械手指驅(qū)動用超聲波電機(jī)的設(shè)計[D];揚(yáng)州大學(xué);2018年

3 余建;基于dsPIC單片機(jī)的超聲波電機(jī)驅(qū)動控制研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2018年

4 姚斌;雙振子旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電機(jī)的研究與設(shè)計[D];中北大學(xué);2018年

5 張斯陽;一種縱彎復(fù)合單驅(qū)動足超聲波電機(jī)的研究[D];武漢理工大學(xué);2016年

6 徐雪榮;超聲波電動舵機(jī)的高過載特性研究[D];中北大學(xué);2018年

7 要一帆;基于超聲波電機(jī)的增量式數(shù)字流量閥研究[D];昆明理工大學(xué);2017年

8 凌普;十字叉定子彎振驅(qū)動的壓電平面電機(jī)研究[D];南昌航空大學(xué);2017年

9 徐文潭;超聲波電機(jī)的驅(qū)動控制策略與實驗研究[D];浙江工商大學(xué);2018年

10 崔崴嶺;超聲波電機(jī)摩擦磨損性能的實驗研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

本文編號：2632782