本文關(guān)鍵詞：基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)研究

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【摘要】：壓電馬達(dá)是當(dāng)前新型驅(qū)動(dòng)器的研究熱點(diǎn),它在工業(yè)控制系統(tǒng),汽車專用電器,辦公自動(dòng)化設(shè)備以及智能機(jī)器人等領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。然而現(xiàn)有的壓電馬達(dá)主要依靠壓電定子振動(dòng),通過摩擦傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或者直線運(yùn)動(dòng),一般運(yùn)動(dòng)速度較低,還存在磨損嚴(yán)重,輸出功率小,效率低等一系列問題。為了從根本上解決這些問題,探索新型原理的壓電馬達(dá),徹底擺脫其對摩擦力的依賴,論文首次提出一種新型原理的壓電馬達(dá)：基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá),并完成了對其從理論設(shè)計(jì)、制造裝配到實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用探討的一系列工作。論文主要成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：首次提出了基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)。針對現(xiàn)有的壓電馬達(dá)存在的問題,為了使得壓電馬達(dá)在速度、功率和效率等方面都有所提高,從發(fā)明不依賴于摩擦力驅(qū)動(dòng)的新型原理壓電馬達(dá)的角度思考,提出一種新型基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)。該壓電馬達(dá)使用軸承實(shí)現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子之間的幾何連接,利用壓電疊堆的強(qiáng)迫振動(dòng)的方式將壓電振動(dòng)能量饋入轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)新型非摩擦力的驅(qū)動(dòng)機(jī)理。為了使得壓電疊堆的功率有效饋入偏心輪轉(zhuǎn)子中,在設(shè)計(jì)中對偏心輪的不平衡量與壓電換能器輸出特性進(jìn)行了合理的匹配,在實(shí)驗(yàn)中,對壓電疊堆的驅(qū)動(dòng)電壓相位進(jìn)行了優(yōu)化。該新型壓電馬達(dá)的提出為壓電馬達(dá)特別是高速壓電馬達(dá)的研究和發(fā)展提供了新的思路。建立了基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)力學(xué)模型。根據(jù)運(yùn)動(dòng)的微分方程。分析計(jì)算轉(zhuǎn)子質(zhì)心和形心軌跡以及偏心輪轉(zhuǎn)子在受迫振動(dòng)中饋入的能量。根據(jù)饋入能量大小的求導(dǎo)運(yùn)算,獲得了壓電疊堆驅(qū)動(dòng)電壓理論最佳初始相位φ0=π/2,在該最佳初始相位的電壓驅(qū)動(dòng)下,對軸承進(jìn)行了受力分析,給出了該新型壓電馬達(dá)的微觀工作機(jī)理,為該壓電馬達(dá)的實(shí)驗(yàn)提供了理論依據(jù)。設(shè)計(jì)和制作了所提出的基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)裝置。探索了壓電疊堆制作工藝,壓電疊堆由26層厚度為0.7 mm的壓電陶瓷片堆積而成。通過打磨,割縫,引線,極化以及表面絕緣處理等八個(gè)步驟的處理,獲得了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的壓電疊堆。利用ANSYS有限元分析軟件設(shè)計(jì)了與之匹配的位移放大機(jī)構(gòu),其位移放大比為4.62倍,靜態(tài)下輸出位移可達(dá)160μm。根據(jù)預(yù)期壽命,選擇了6001氮化硅軸承作為實(shí)驗(yàn)軸承,將壓電疊堆、位移放大機(jī)構(gòu)以及軸承通過帶有直角鉸鏈的軸承座進(jìn)行連接和裝配形成了馬達(dá)的定子。首次利用偏心輪作為壓電馬達(dá)的轉(zhuǎn)子,并根據(jù)定子輸出特性匹配設(shè)計(jì)了偏心輪轉(zhuǎn)子的不平衡量。根據(jù)偏心輪轉(zhuǎn)子工作狀況對其進(jìn)行了強(qiáng)度校核,提高了設(shè)計(jì)的可靠性。理論分析了六種不同偏心輪轉(zhuǎn)子的工作速度范圍,為實(shí)驗(yàn)研究提供了理論數(shù)據(jù)。最后選擇和設(shè)計(jì)了馬達(dá)的輔助裝置,包括內(nèi)耗較低的直流電磁電機(jī)及其支架,L形底座,霍爾傳感器及其支架。通過對定子,轉(zhuǎn)子及輔助裝置進(jìn)行合理裝配形成了一整套壓電馬達(dá)的機(jī)電系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)研究了所制作的基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)輸出性能。首先給出了馬達(dá)的實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)方案,獲得了驅(qū)動(dòng)電壓實(shí)驗(yàn)最佳初始相位為φ0=πn/2,與理論分析結(jié)果一致。然后以偏心不平衡量較大的6#偏心輪為轉(zhuǎn)子,對馬達(dá)的輸出特性進(jìn)行了測試研究,獲得了馬達(dá)的空載輸出速度特性,在壓電疊堆的工作頻率僅為152 Hz下,馬達(dá)的輸出速度高達(dá)9120 rpm,是目前存在的高速壓電馬達(dá)之一。同時(shí),測試了該頻率下壓電馬達(dá)的輸出功率為8.45 W,平均效率為25.3%,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該新型壓電馬達(dá)綜合性能得到了提高。最后,測試了另外五種偏心輪轉(zhuǎn)子的工作頻率范圍,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著偏心輪轉(zhuǎn)子不平衡量(m-r)的降低,馬達(dá)的啟動(dòng)頻率和截止頻率都逐漸增加,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算一致。對于偏心輪最小的1#偏心輪而言,實(shí)驗(yàn)測試獲得速度高達(dá)15000 rpm,這是目前文獻(xiàn)可見的壓電馬達(dá)最高速度。該壓電馬達(dá)原理新穎,結(jié)構(gòu)簡單,具有很大的發(fā)展?jié)摿�。探討了該新型基于偏心輪受迫振�?dòng)的壓電馬達(dá)未來的應(yīng)用前景。首次提出了壓電飛輪儲(chǔ)能概念,提出利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量饋入轉(zhuǎn)子,利用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)飛輪動(dòng)能向電能的轉(zhuǎn)化,從而實(shí)現(xiàn)能量儲(chǔ)存和利用的功能,壓電飛輪儲(chǔ)能理論上可達(dá)到相比于電磁飛輪儲(chǔ)能更高的速度,因此可提高飛輪儲(chǔ)能容量。除此之外,該新型壓電馬達(dá)技術(shù)還可應(yīng)用于離心分離,寬頻激振以及壓電泵中的應(yīng)用等等。
【關(guān)鍵詞】：壓電馬達(dá) 偏心輪轉(zhuǎn)子 受迫振動(dòng) 壓電疊堆 位移放大機(jī)構(gòu) 壓電飛輪儲(chǔ)能
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TH703
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-18
• 第一章 緒論18-38
• 1.1 引言18-19
• 1.2 壓電馬達(dá)的分類及其發(fā)展歷程19-32
• 1.2.1 壓電馬達(dá)的分類19
• 1.2.2 超聲電機(jī)及其發(fā)展歷程19-25
• 1.2.3 壓電尺蠖馬達(dá)及其發(fā)展歷程25-28
• 1.2.4 壓電慣性馬達(dá)及其發(fā)展歷程28-31
• 1.2.5 其他新型壓電馬達(dá)的出現(xiàn)與發(fā)展31-32
• 1.3 壓電馬達(dá)的應(yīng)用32-35
• 1.3.1 生物工程和醫(yī)學(xué)工程中的應(yīng)用32-33
• 1.3.2 精密定位系統(tǒng)中的應(yīng)用33-34
• 1.3.3 航空航天、空間技術(shù)和軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用34
• 1.3.4 民用商品中的應(yīng)用34-35
• 1.4 本論文研究目的及創(chuàng)新點(diǎn)35
• 1.5 本論文的主要內(nèi)容與結(jié)構(gòu)安排35-38
• 第二章 壓電驅(qū)動(dòng)理論基礎(chǔ)及其輸出匹配38-54
• 2.1 引言38-40
• 2.2 壓電疊堆及其輸出特性40-44
• 2.3 壓電疊堆的輸出功率44-47
• 2.4 基于位移放大機(jī)構(gòu)的壓電疊堆輸出阻抗匹配47-51
• 2.4.1 菱形位移放大機(jī)構(gòu)輸出性能49-50
• 2.4.2 菱形位移放大機(jī)構(gòu)與壓電疊堆的裝配50-51
• 2.5 本章小結(jié)51-54
• 第三章 基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)工作原理54-74
• 3.1 引言54-56
• 3.2 基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)模型建立56-61
• 3.2.1 基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)雛形56
• 3.2.2 基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)基本結(jié)構(gòu)56-58
• 3.2.3 受迫振動(dòng)的一維力學(xué)模型58-60
• 3.2.4 基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)的二維力學(xué)模型60-61
• 3.3 基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)動(dòng)力學(xué)分析61-71
• 3.3.1 壓電陶瓷激勵(lì)下定子運(yùn)動(dòng)軌跡分析62-63
• 3.3.2 壓電驅(qū)動(dòng)振動(dòng)中的能量關(guān)系63-66
• 3.3.3 最佳驅(qū)動(dòng)方案66-69
• 3.3.4 最佳驅(qū)動(dòng)方案下定子與轉(zhuǎn)子相互作用力學(xué)分析69-71
• 3.4 本章小結(jié)71-74
• 第四章 基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)設(shè)計(jì)與制造74-100
• 4.1 引言74
• 4.2 定子的設(shè)計(jì)與制造74-85
• 4.2.1 壓電疊堆制作75-77
• 4.2.2 位移放大機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)77-82
• 4.2.3 軸承座及連接鉸鏈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)82-84
• 4.2.4 軸承的選擇及其壽命計(jì)算84-85
• 4.3 轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)85-91
• 4.3.1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)86-87
• 4.3.2 轉(zhuǎn)子不平衡量與轉(zhuǎn)速匹配設(shè)計(jì)87-89
• 4.3.3 偏心輪仿真,強(qiáng)度校核89-91
• 4.4 輔助裝置選擇與設(shè)計(jì)91-96
• 4.4.1 啟動(dòng)電機(jī)及其空載特性91-93
• 4.4.2 霍爾傳感器及其反饋電路93-95
• 4.4.3 底座及其它設(shè)計(jì)95-96
• 4.5 制造與裝配96-97
• 4.6 本章小結(jié)97-100
• 第五章 基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用探索100-112
• 5.1 啟動(dòng)方案100-102
• 5.2 馬達(dá)的性能測試102-109
• 5.2.1 定子的動(dòng)態(tài)特性102-103
• 5.2.2 馬達(dá)空載速度特性103-104
• 5.2.3 馬達(dá)輸出功率和效率特性104-108
• 5.2.4 六種偏心轉(zhuǎn)子的啟動(dòng)頻率與截止頻率108-109
• 5.3 基于偏心輪受迫振動(dòng)的壓電馬達(dá)應(yīng)用探索109-111
• 5.3.1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用109-110
• 5.3.2 離心分離中的應(yīng)用110-111
• 5.4 本章小結(jié)111-112
• 第六章 總結(jié)與展望112-116
• 6.1 工作總結(jié)112-113
• 6.2 研究展望113-116
• 參考文獻(xiàn)116-124
• 致謝124-126
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果126-127

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