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纵扭复合型超声波电机的若干问题研究

龚书娟  
【摘要】:论文概述了超声波电机的发展简史、基本原理、特点和分类,介绍了驻波型超声波电机的发展情况,特别是纵扭复合型超声波电机研究进展,重点论述了纵扭复合型超声波电机的结构调谐、接触模型、噪声这三个重要问题,并提出了一些研究思路,明确了本文的主要研究内容。 介绍了纵扭复合型超声波电机的基本原理和结构,并应用Mason机电等效法,推导出了纵扭复合型电机的纵、扭转振动谐振频率方程,建立了纵扭复合型超声波电机关键尺寸与谐振频率的关系,从而形成了纵扭复合型超声波电机的基础理论。 首次提出了一种具有中空结构的纵扭复合型超声波电机,其原理是利用了一阶扭振动和一阶径向振动(引起的纵向振动),这种电机具有调谐方便,结构简单和电机轴向尺寸小等优点,文中详细地用有限元法和实验结果阐述了其振型及其调谐思路,并就结构尺寸和电机压紧力对电机谐振频率的影响进行了具体分析。 提出了纵扭复合型超声波电机的力传递模型和特性分析方法。首先,采用一振动周期内轴向冲量守恒的原理推导给出了定转子接触角关系式,并对摩擦力模型进行了改进,随后运用一振动周期内周向能量守恒的原理推导了电机输出力矩表达式,分析了堵转力矩和空转转速的影响因素,并给出了电机接触面的传递效率。利用上述表达式,仿真和实验分析了定转子预压力对电机输出力矩的关系和影响,以及其他参数对接触面效率的影响,解释了这种电机工作效率偏低的原因。 深入地分析了纵扭复合型超声波电机定转子纵振动的耦合问题,结合电机定转子的实际运转过程情况,运用振动理论建立了纵振动耦合简化模型,分析定转子各种复杂的振动过程和系统参数对纵振动的影响,从理论和实验证实了力传递模型建立中的假设合理性,为电机设计提供了理论基础。 实验研究了纵扭复合型超声波电机的噪声机理,通过各种噪声实验和有限元法分析比较,最终确认纵扭复合型超声波电机的噪声是由二部分组成,一是由系统运动的非线性产生的分数次谐波诱发的噪声,且是主噪声源:二是由摩擦激发的定、转子低阶谐振产生的幅射噪声,这为电机结构改进和降低噪声提供了依据。


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