双斜槽模态转换型超声波电机的设计与实验研究

【摘要】：超声波电机是一种利用压电材料的逆压电效应,借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构。其特点是结构简单,响应快,低速大转矩,不受外界磁场干扰,可断电自锁,已被广泛应用于精密制造、航天、医疗、机器人等高新技术领域。超声波电机发展至今已有多种结构形式,分类也多种多样,其中纵扭杆式驻波模态转换型超声波电机为本文的研究对象。本文设计的超声波电机为双斜槽模态转换型超声波电机。 在搜集了大量资料并研究后,了解到该类电机的发展过程及应用前景,掌握了该类电机的驱动原理及涉及的知识领域。在电机的整个设计过程中介绍了压电陶瓷的性能参数及振动理论,驻波的产生原理,超声波电机的运动机理,金属杆的纵振动理论和扭振动理论,电机振动体的设计计算及斜槽传振杆的相关计算。 本文设计的双斜槽模态转换型超声波电机定子采用了朗之万夹心结构,包括前盖板、压电陶瓷堆、后盖板。另外本文还设计制作了对比电机,即单斜槽模态转换型超声波电机和单孔式模态转换型超声波电机。三个电机的尺寸相同、结构相似。通过对三类电机的实验测试得出三个电机的激励频率、输入电压及预压力与电机转速的性能曲线图及电机运转最大速度时各性能值。将三类电机的最佳性能值进行比较,得出双斜槽式样机的最大转速约为单斜槽电机的6倍,约为单孔式电机的10倍。 虽然设计电机通过实验测得了其各方面的性能基本符合设计时的要求,但与电机的理论模型仍有很多的差异。可见电机在数学模型的建立方面仍需深入研究,而且电机在摩擦材料、加工精度等方面也存在很多问题,阻碍了其实用化的进程。因此,超声波电机的研究仍需加强,希望本文的研究内容能为今后的研究提高一些参考。