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四足直线超声电机的研究

微电机 2012年第9期45卷 34-37页

作者：曾劲松郭长亮郑州大学机械工程学院郑州450001

研究了一种新型四足矩形截面梁直线超声电机,电机定子是由六块压电陶瓷片和矩形截面铜梁组成,压电陶瓷对称粘贴在铜梁的上下表面,四个驱动足分布在铜梁下表面的四个直角处。电机的工作模态分别为一阶纵振和二阶弯振,通过Ansys软件进行... 详细信息

研究了一种新型四足矩形截面梁直线超声电机,电机定子是由六块压电陶瓷片和矩形截面铜梁组成,压电陶瓷对称粘贴在铜梁的上下表面,四个驱动足分布在铜梁下表面的四个直角处。电机的工作模态分别为一阶纵振和二阶弯振,通过Ansys软件进行模态分析确定了电机定子的尺寸,设计加工样机,并对样机的机械特性进行测试和实验研究,实验证明了电机的结构设计是合理的,分析是正确的。

关键词：直线超声电机矩形截面梁压电陶瓷

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双足驱动直线超声电机定子的振动特性研究

微电机 2020年第5期53卷 15-19页

作者：陈建毅林星陵厦门城市职业学院机械与自动化工程系福建厦门361008

提出一种新型双足驱动直线超声电机,采取一种结构简单的人字形结构定子,主要由4片压电陶瓷和金属基体构成。利用ANSYS软件建立其定子的有限元模型,对振动模态和谐响应进行仿真分析。探讨和分析了不同的定子夹角和定子材料对其谐振频率... 详细信息

提出一种新型双足驱动直线超声电机,采取一种结构简单的人字形结构定子,主要由4片压电陶瓷和金属基体构成。利用ANSYS软件建立其定子的有限元模型,对振动模态和谐响应进行仿真分析。探讨和分析了不同的定子夹角和定子材料对其谐振频率和振幅的影响。研究结果表明,电机定子的二阶弯曲振动模态是该新型双足驱动直线超声电机实现驱动的工作模态,其振幅大小与定子夹角和定子材料均有直接关系。在分析的三种定子材料中,紫铜定子的谐振频率最小,硬铝定子的振幅值最大。

关键词：直线超声电机人字形夹角振动模态振幅有限元

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H形直线超声电机振子的结构分析及模态优化

科学技术与工程 2019年第25期19卷 183-190页

作者：张健王笑竹何勍周港刘红光营口理工学院电气工程系营口115014 辽宁工业大学机械工程与自动化学院锦州121001

在纵、弯复合模态直线超声电机的基础上,提出并试制了一种新型的直线超声电机。通过解析法确定振子两侧直梁的长度和厚度范围;完成了H形振子的结构设计,确定了振子的柔性支撑方案。利用ANSYS软件对H形压电振子进行了优化设计。根据优化... 详细信息

在纵、弯复合模态直线超声电机的基础上,提出并试制了一种新型的直线超声电机。通过解析法确定振子两侧直梁的长度和厚度范围;完成了H形振子的结构设计,确定了振子的柔性支撑方案。利用ANSYS软件对H形压电振子进行了优化设计。根据优化设计结果,试制了原理样机。实验结果表明:振子的实测谐振频率与有限元计算结果有一定的偏差。实测的频率比有限元计算值要低,其原因是在测试时,振子的边界条件与有限元计算时相比发生了变化。

关键词：直线超声电机 H形压电振子有限元分析复合模态优化设计

基于直线超声电机仿三维运动平台驱动控制系统的研究

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基于直线超声电机仿三维运动平台驱动控制系统的研究

作者：薛雯玉南京航空航天大学

学位级别：硕士

本课题的来源于2009年国家自然科学广东联合基金重点项目“精密电子制造装备关键理论与技术研究”（基金号：U0934004）。为了提升我国先进装备制造水平，缩短与发达国家间的差距，研制具有自主知识产权，定位精度高的新型大行程压电微... 详细信息

本课题的来源于2009年国家自然科学广东联合基金重点项目“精密电子制造装备关键理论与技术研究”（基金号：U0934004）。为了提升我国先进装备制造水平，缩短与发达国家间的差距，研制具有自主知识产权，定位精度高的新型大行程压电微型运动平台系统具有重要的现实意义。直线超声电机利用压电陶瓷材料的逆压电效应，将压电材料的微观形变转化为弹性体的微幅超声振动，再通过定子和动子之间的摩擦作用，转换成动子的宏观直线运动，从而直接推动负载，它不需要转换机构就能产生直线运动、具有结构简单、响应快、断电自锁和分辨率高等优点。可替代原有电磁电机，作为高精度定位的运动平台驱动装置。本文以双变幅杆V形直线超声电机为驱动部件，设计了基于直线超声电机仿三维运动平台驱动与控制系统。该平台由三架一维运动平台叠加而成。驱动控制系统精确控制电机，实现平台在三个方向上的精确运动。驱动控制系统以TI公司的TMS320F28335浮点DSP处理器为核心，配以CPLD等外围接口器件和超声电机驱动器，以光电编码器信号作为电机位置反馈，组成了一个闭环的控制系统。在上位机管控下，依靠运动平台位置的实时采集和反馈信息，实现对运动平台的精确位置和速度控制。本项目研制的驱动控制器集成在一个控制盒内，使其具有较好的灵活性和便携性。在构建了驱动控制器硬件的基础上，本文开展对运动平台的驱动控制算法的研究。测试了该平台控制的位移分辨率，研究了使用了PID控制及步进逼近的方法提高平台定位精度的途径。实验结果表明，在分辨率为0.5μm/count的光栅尺下，驱动控制系统能够有效地控制运动平台的在下x，y，z三个方向的运动，其运动行程80mm×80mm×30mm，位置达分辨率100nm，控制精度2μm。该平台能够作为微操作手，用于生物医学工程等领域。

关键词：运动平台直线超声电机驱动控制器闭环控制系统 PID 生物医学工程

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螺纹杆式直线超声电机结构设计与应用研究

螺纹杆式直线超声电机结构设计与应用研究

作者：李南安南京航空航天大学

学位级别：硕士

螺纹杆式直线超声电机是超声电机的重要分支,其运动与动力传递依靠螺纹副实现,具有断电自锁、速度低、精度高、无电磁干扰等特点,在航空航天、智能机器人、精密医疗器械,光学精密仪器等领域具有一定的应用价值。目前的螺纹杆式直线超声... 详细信息

螺纹杆式直线超声电机是超声电机的重要分支,其运动与动力传递依靠螺纹副实现,具有断电自锁、速度低、精度高、无电磁干扰等特点,在航空航天、智能机器人、精密医疗器械,光学精密仪器等领域具有一定的应用价值。目前的螺纹杆式直线超声电机普遍存在输出力小、机械性能不稳定等缺点。本文提出了一款可施加预压力的螺纹杆式直线超声电机,并设计了一款超声电机驱动的微量注射泵。主要工作内容如下:总结了国内外螺纹杆式直线超声电机的发展历程、特点和性能。针对目前存在的堵推力较小问题和应用背景,确定本课题的研究内容。验证螺纹杆式直线超声电机的激振模式,对压电陶瓷片激发弹性体产生弯曲振动变形的工作原理进行分析,采用理论与仿真分析方法对定子振动进行变形分析,对定子端面驱动点进行运动轨迹分析,建立运动轨迹方程,验证电机运行机理。基于螺纹杆电机的结构设计原则、方法及应用背景,设计了定子和一种分体式动子。将动子设计为动子主轴、套筒预压力施加部件三个部分组成,从而使螺纹杆式直线超声电机的预压力可控,解决了螺纹杆式直线超声电机因不能施加预压力导致堵推力较差问题。设计并加工了样机。对所研制样机进行定子模态试验。测试预压力对电机机械输出特性的影响,试验表明,预压力施加设计将螺纹杆式直线超声电机堵推力从9N提升到了21N。最后将样机应用于微量注射泵的设计中,设计并加工了一款微量注射泵样机,进行了推注试验,试验表明,螺纹杆式直线超声电机驱动的微量注射泵将注射分辨率从毫米级提升到了微米级。

关键词：直线超声电机结构振动微量注射泵预压力施加装置螺纹杆

面内弯纵模态耦合直线超声电机的有限元仿真及结构优化

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面内弯纵模态耦合直线超声电机的有限元仿真及结构优化

作者：冯书剑西安电子科技大学

学位级别：硕士

超声电机是一种新型微特驱动装置,具有启停灵敏,断电自锁,低噪声,结构简单,无电磁干扰等诸多优点,相比于传统电机,更适合于航天航空,精密控制等领域。超声电机技术涉及了材料力学,压电材料学,非线性摩擦理论,机械振动理论等多学科交叉... 详细信息

超声电机是一种新型微特驱动装置,具有启停灵敏,断电自锁,低噪声,结构简单,无电磁干扰等诸多优点,相比于传统电机,更适合于航天航空,精密控制等领域。超声电机技术涉及了材料力学,压电材料学,非线性摩擦理论,机械振动理论等多学科交叉的新领域。其理论体系复杂,目前还没有完善的理论体系依据,特别是电机结构优化设计方面。超声电机的定子结构是影响电机性能的关键因素之一。本文基于ANSYS软件,对一种面内弯纵模态耦合直线超声电机定子结构优化问题进行了较细致地仿真研究。论文的主要工作如下:(1)通过仿真分析对超声电机结构设计的可行性进行了研究。首先,通过模态分析进行仿真收敛性测试,并通过对比可靠数据,验证仿真构建的模型及条件符合实际情况。之后,对超声电机结构进行全仿真分析,在定子上选取3个观测点,得出在定子左右两端的中心,或者定子的棱线中点适合作为驱动足。结果表明超声电机可以驱动动子直线运动,验证超声电机结构设计的可行性。(2)研究了超声电机定子的主要结构尺寸参数对于模态耦合的影响;基于正交试验方法展开了弯纵模态频率差值和远离干扰模态的构造函数P的值为响应指标的结构尺寸优化设计方案。通过正交试验方法,分步骤设计实验,对压电振子结构尺寸进行优化,得到最佳压电振子结构尺寸(长度:32mm,长宽比:3.8,厚度1.2mm)。优化后的压电振子弯纵模态频率差仅44Hz,其他干扰模态没有混入且其频率远离弯纵模态频率,满足模态简并的要求。(3)研究不同的常用压电陶瓷材料对超声电机输出性能的影响。基于定子最优结构尺寸,通过对超声电机定子进行全面仿真分析,对比研究不同压电陶瓷材料的超声电机结构,找到最合适超声电机的压电陶瓷材料为PZT5H,由此对超声电机定子结构再次优化。(4)基于上面的定子结构优化后,对超声电机定子的压电陶瓷片粘贴方式进行改进。将原来使用的贴片式粘贴改为压电陶瓷内嵌式粘贴,增大压电陶瓷片与弹性基底的接触粘贴面积,提升压电陶瓷片和弹性基底间能量转换效率,从而提高超声电机的输出性能。实验仿真结果表明,改进后超声电机的输出性能得到明显提高,内嵌式粘贴方式超声电机的步距为1.2μm左右,空载速度60mm/s,对超声电机定子结构进一步优化。

关键词：直线超声电机结构优化模态耦合有限元仿真正交实验

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薄板型面内纵-弯复合型直线超声电机研究

薄板型面内纵-弯复合型直线超声电机研究

作者：范佳丽江苏大学

学位级别：硕士

薄板型面内纵-弯复合型直线超声电机结构设计简单、易于微小型化,在微小机械、航空航天、精密定位、小功率驱动等方面的应用具有显著优势,但其输出性能仍未达到工程应用的要求。本文以薄板型面内纵-弯复合型直线超声电机为研究对象,旨... 详细信息

薄板型面内纵-弯复合型直线超声电机结构设计简单、易于微小型化,在微小机械、航空航天、精密定位、小功率驱动等方面的应用具有显著优势,但其输出性能仍未达到工程应用的要求。本文以薄板型面内纵-弯复合型直线超声电机为研究对象,旨在找到一种推重比大、输出性能更佳、利于微型化的定子结构,开展的研究工作及取得的成果如下:(1)设计研制了一种薄板型面内纵-弯复合型直线超声电机,该电机定子由8片相同规格的压电陶瓷和矩形金属板基体组成,且金属板上设有完全对称的结构槽,驱动足底部采用柔性设计。研究表明:定子金属板的开槽设计,能够缩小面内一阶纵振和二阶弯振的频率差(两者频率差为80Hz),满足频率简并条件,实现纵-弯复合模态工作;在谐响应分析和瞬态动力学分析下,定子驱动足表面能耦合成有效的椭圆轨迹;在纵-弯复合振动下,定子驱动足在X、Y方向的振幅分别提升了66.67%和28.53%,验证了电机定子结构的优化结果。(2)研究了面内纵-弯型直线超声电机的定-动子接触特性,建立基于库仑摩擦模型的驻波型直线超声电机接触动力学模型,对比单/双驱动足型电机的两种接触情况,探讨了面内纵-弯直线超声电机的定-动子接触时间、法向动态接触力和接触界面摩擦力。研究表明:预压力越大,定-动子的接触时间越长,同时,接触刚度和定子法向振幅影响了接触时间随预压力变化的速度;法向动态接触力和接触界面摩擦力均呈周期性变化;法向动态接触力峰值的增大会导致接触界面动摩擦力峰值的增大;单纯的增大预压力并不能提高电机的输出性能;定子法/切向振幅的增大、摩擦材料的合理选择均可以有效的提高电机的输出性能;在一定条件下,与单驱动足型电机相比,双驱动足型电机接触界面摩擦力的峰值变小,但接触界面摩擦力做功的频率提高一倍。(3)开展了薄板型面内纵-弯复合型直线超声电机定子驱动足振动性能、电机输出性能实验研究。结果表明:在一定条件下,定子开槽设计下的驱动足振幅在X和Y方向分别增大了1.60μm和0.92μm,电机的模态一致性更好;在激励电压200Vpp、预压力20N、激励频率45.7kHz、相位差90°条件下,电机的最大空载速度为0.25m/s,最大推力为3.4N,推重比达47(定子重7.36g),电机空载速度提升51.5%,最大推力提高36%。电机优化设计后,其输出性能更好,结构更简单,定子重量更轻,更利于微小型化。本文创新地提出定子金属板开槽设计的振动位移放大思想,并应用于一种薄板型面内纵-弯复合型直线超声电机,降低了电机定子重量和提高了电机性能。另一方面建立了基于库仑摩擦模型的驻波型直线超声电机接触动力学模型,对比分析了单/双驱动足型电机的定-动子接触动力学特性。

关键词：直线超声电机面内模态结构优化设计动力学分析摩擦接触

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基于杆纵振的直线超声电机研究

微电机 2011年第5期44卷 24-26页

作者：曾劲松雷向红郑州机电工程研究所郑州450015 郑州大学郑州450052

根据当前直线超声电机的特点,研制了一种新型的基于杆纵向振动超声电机,分析了电机的工作原理,并做出了样机。实验证明电机在施加合理的电压信号下能够实现往复的直线运动。

关键词：直线超声电机纵向振动复合结构

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驻波型双接触面直线超声电机的动态设计

微电机 2006年第4期39卷 31-33页

作者：王宏祥王威何勍辽宁工学院锦州121001

介绍了一种双接触面驻波型直线超声电机的工作原理,并利用ANSYS有限元分析软件对其振子进行了动态设计。样机利用两个相同振子组成一个动子,构成双接触面驱动,从而获得较大的驱动力。利用振子的三阶和五阶弯曲模态工作,可实现直线超声... 详细信息

介绍了一种双接触面驻波型直线超声电机的工作原理,并利用ANSYS有限元分析软件对其振子进行了动态设计。样机利用两个相同振子组成一个动子,构成双接触面驱动,从而获得较大的驱动力。利用振子的三阶和五阶弯曲模态工作,可实现直线超声电机的正反向运动。

关键词：直线超声电机驻波双接触面动态设计有限元分析