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圆柱定子弯曲振动超声波电机及电源的设计与实验研究

刘宏伟  
【摘要】: 超声波电机是近二十年来发展起来的一种新型驱动装置,该电机不同于传统的电磁感应电机,它是利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动,借助弹性体谐振放大,通过摩擦耦合产生旋转或直线运动。这种电机具有响应快、结构紧凑、低转速、大力矩、不受电磁干扰、断电自锁等优点,在微型机械,机器人,精密仪器,家用电机,航空航天,汽车等方面有着广泛的应用前景。 本文以圆柱定子弯曲振动超声波电机为研究对象,在阅读和分析了大量国内外有关参考文献的基础上,分析了其驱动机理,建立了其数学模型,运用理论推导和有限元软件Ansys进行仿真,确定了电机设计方案及参数,制作了圆柱定子型超声波电机的样机并进行了实验研究与分析。本文研究的主要内容概括如下: 1、简单介绍了国内外超声波电机的研究历史、特点及其应用前景;对现有的超声电机进行了分类。详细介绍了国内外已研制和正在研制的圆柱定子行波超声电机的结构、原理、性能及应用前景。 2、介绍了圆柱超声波电机相关的基础理论,包括压电陶瓷的振动理论以及梁的弯曲振动理论,建立了圆柱超声波电机的简单数学模型;因为椭圆运动轨迹的合成是超声波电机转动的本质所在,所以接着分析与讨论了超声波电机椭圆运动的形成。 3、详细探讨了圆柱体弯曲振动超声波电机设计和制作,从超声波电机的定子着手,确定设计方案,采用理论计算并结合ANSYS仿真计算结构设计和设计参数,研制了该类型电机的实验样机。 4、设计了双路谐振式升压电源,论述了其工作原理、电路特点以及对实际电路的动态特性进行分析,并对其输出信号进行分析和进行电机样机驱动实验。 5、对样机进行了实验研究,分析了超声波电机的输入参数对电机运行性能的影响,得出了激励频率-转速特性、输入电压-转速特性和预压力-转速特性关系曲线并进行了结果分析,得出关于该类型超声波电机的一些相关结论,为进一步开展同类型超声波电机的研究提供实验依据。


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