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《陕西师范大学》 2002年
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纵扭复合压电超声马达基础研究

石新军  
【摘要】:压电超声马达是国外近年迅速发展起来的一种新型固态马达。它以超声振动为动力源的一种驱动装置,通常由形成超声振动的振子(定子)及与振子相连的转子组成。定子产生超声振动,转子依靠定转子间的摩擦耦合传递定子的振动,并将这种振动转换成连续旋转或直线位移。这种马达的新颖之处在于突破了传统电磁马达的概念,没有磁极绕组和磁路,不是依靠电磁相互作用来传递能量,而是利用压电材料的逆压电效应所产生的超声振动,通过采用合理的结构,将材料的微观形变通过共振放大和摩擦耦合转换成转子或滑块的宏观运动,在这种全新结构的马达中,作为定子的压电振子(压电陶瓷和弹性体)代替了传统电磁马达中成千上万圈的铜丝。与传统的电磁马达相比,压电马达除了具有结构简单,重量轻的优点,还具有惯性校、响应块、控制特性好、不受磁场影响的特点。其本身也不产生磁场、运动准确、成本低。特别是它具有重量轻、结构简单、效率高、噪声小,低速大扭转以及直接驱动负载等特性。另外,由于它具有几转-几百转/分的转速,所以不需要附加齿轮变速,避免了引用齿轮变速箱而产生的振动、冲击、噪声、低效率、难以控制等一系列问题。因此可以说,压电马达传动是一种新颖的传动形式,它的出现是对延续数百年来的杠杆和涡轮系统占统治地位的传统的机械传动的突破和有利补充。 纵扭复合超声马达具有可控性好,输出功率高,转矩大、正反转特性一致、低速稳定性好等特性而受到业内人士的重视。本文重点以纵扭复合压电马达为研究对象,在前人工作的基础上,对纵扭复合超声驻波马达的驱动机制、摩擦耦合、数学建模和频率兼并四个方面进行了系统的理论研究,为其设计提供理论依据,推动它向实用化发展。主要工作如下: (1)对驻波马达的驱动机制进行了细致的分析,从理论上得到各种预压力情况下马达的最佳驱动状态,并定性分析了马达在摩擦力驱动下的驱动特性。详细探讨了粘着摩擦和古典摩擦的区别,为进一步分析定转子间的耦合驱动特性奠定基础。 (2)提出一种适合于马达定、转子耦合接触特性的摩擦模型,即粘滑摩擦模型,深入的分析了预压力、纵扭振子输出压电应力的协同作用机理,建立了马达数学模型,仿真计算了马达的机械特性,得出在马达稳定运转的前提下,小接触角有利于马达效率的提高和驱动转矩的增加。从而为优化马达的设计和控制提供 理论依据。 门)建立了超声振动系统四端网络方法的数学模型,提出细杆隔振一质量 匹配的频率兼并方案,并应用子纵扭复合超声马达定子的设计,达到纵扭谐振 频率兼并的目的。通过四端网络传输矩阵法和有限元软件的计算结果对比,筛 选出细径隔振最优直径参数为1/2的结论,同时证明细杆隔振一质量匹配的频 率兼并方案的具有可行性。得出一套实现纵扭谐振频率兼并的计算方法和步 骤。
【学位授予单位】:陕西师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2002
【分类号】:TM38

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