内嵌压电陶瓷径向弯曲模态超声电机的研究

【摘要】：超声电机(Ultrasonic Motor,简称USM)具有高能量密度、质量轻、电磁兼容性好等优点,在很多驱动领域有着广阔的应用前景,但由于目前存在驱动能力小、磨损寿命短、稳定性差等缺点,严重妨碍了其实用化、产业化的进程。采用内嵌压电陶瓷的圆环形行波超声电机在结构上很好地融合了贴片式超声电机结构紧凑和夹心换能器式超声电机高机电耦合效率的特点,在构型方面体现了很大的优势。针对该种构型,已经研制出来的环形超声电机采用轴向弯曲模态,定子轴向振幅具有不一致性,能量利用率低。鉴于此,本文将延续内嵌压电陶瓷的设计思想,以提高电机机电转换效率以及驱动区域质点振动轨迹的一致性为目标,提出了一种新型的内嵌压电陶瓷径向弯曲模态行波型超声电机,该电机驱动齿表面质点振动轨迹具有良好的一致性,有利于提高定子振动能的利用率。 本文对电机结构以及压电陶瓷激励径向弯振行波的原理作了详细介绍,推导了定子驱动齿的振动轨迹,并从电学模型的角度分析了电机机电转换效率的影响因素。在此基础上,建立了定子参数化有限元模型,通过模态分析确定了定子工作模态及其特征频率;通过研究其导纳特性,定性分析了定子结构参数对机电转换效率的影响;通过瞬态分析,验证了驱动齿质点椭圆运动轨迹,并对其行波质量进行了分析。以理论研究和仿真结果为基础,研制了实验样机。样机工作频率为19.85kHz,最大转速为146r/min,最大堵转力矩为1.0N·m。