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机电集成静电谐波微马达动力学特性研究

李耀伍  
【摘要】:机电集成静电谐波微马达是一种集控制、驱动和传动功能于一体的新型广义复合传动。定子由若干相互绝缘的电极组成,转子由易变形的金属导电薄膜构成,当定子顺序通电后,由于电场力的作用,使转子柔轮产生周期性的弹性变形,当电场旋转一周后,转子会朝旋转电场相反的方向转动一定的角度,从而实现低速输出。本文介绍了机电集成静电谐波微马达的工作原理。建立了柔轮在激励电压作用下径向和切向位移的微分方程式。利用比较系数法,得到了考虑伸长和剪切两种因素下径向和切向位移的表达式。给出了激励电压和位移系数的基本关系。分析了激励电压随机械参数和电参数的变化规律。 建立了考虑伸长和转动惯量时柔轮面内自由振动微分方程。给出了面内自由振动频率表达式。分析了面内自由振动固有频率随系统参数的变化规律。利用模态叠加原理,对电压扰动造成的受迫响应进行了分析。 根据弹性理论,推导了柔轮变形能、动能以及定子和柔轮之间电场能表达式。利用Hamilton原理,得到了柔轮面外自由振动频率表达式。分析了机械参数和电参数对柔轮面外振动固有频率的影响规律。 运用模态叠加法和薛定谔函数,对电压扰动下柔轮的面外受迫振动进行了分析,得到了受迫响应表达式,并对受迫响应规律进行了分析。 完成了静电微马达驱动微型机器人的结构设计。确定了微型机器人的尺寸参数。对机器人的关键件后轮驱动轴的扭转振动进行了分析。研究了驱动轴扭转振动频率随其结构参数的变化规律以及电压波动造成的驱动轴受迫响应规律。 分析了机电集成静电谐波微马达结构设计应考虑的主要因素。完成了其结构设计和尺寸设计。给出了关键件电极的加工过程。设计了驱动电路,进行了样机的原理性试验,证实了微电机驱动原理的正确性。利用ANSYS软件对电场力作用下柔轮的径向变形及其面内面外自由振动进行了模拟仿真,并和理论分析进行了对比,证明了理论分析的正确性。利用Workbench软件,对微型机器人系统在电压偏载时的谐响应进行了模拟分析。


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