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超声波马达的理论研究与设计制作

石顺桥  
【摘要】: 超声波马达是一种借助摩擦传递弹性超声波振动以获得动力的驱动机构,是一种全新原理获得驱动力的新型马达,它利用压电陶瓷的压电效应使定子产生超声波振动,通过定子和转子间的摩擦力来驱动转子。与传统电机相比,它具有结构紧凑、低速高转矩、响应快、不受磁场影响、断电自锁等优点,因而它适合应用于机器人、精确定位装置、微型机械、航空航天器等方面。正是由于超声波马达具有以上诸多优点和广阔的应用前景,深深地吸引了一批科学工作者,成为当前世界范围内的的一门新兴前沿课题。 本文主要研究了压电旋转型行波超声波马达,同时也对以前的多振动片式驻波超声波马达进行了改进。本文的主要内容可概括如下: 系统地总结了国内外压电超声波马达的历史和发展状况,介绍了压电超声波马达的特点、分类,指出了研究超声波马达的科学意义和应用前景。 深入地研究了超声波马达的核心元件——压电陶瓷,从压电效应着手,推导了压电方程,得到了描述压电材料物理特性的几个重要参数,并导出了压电振子及压电陶瓷的系统方程,论述了压电振子的振动模态及谐振特性。 研究了超声波马达的驱动机理,对超声波马达驱动的本质——椭圆运动的两种形成方法进行了详细研究,利用几何分析法研究了行波超声波马达的传动机理,分析了定子弹性体中行波有序传播的条件。 利用拉格朗日—麦克斯韦方程以及赫兹弹性接触理论,库仑摩擦理论,考虑机电耦合效应,定、转子间界面力对弯曲行波的影响及其动态接触摩擦力,建立了压电行波超声波马达从输入到输出的机电耦联系统的数学模型。 在上面这些理论的基础上,成功设计、制作了一台压电旋转型行波超声波马达;并提出了一种全新的定、转子接触机理分析模型——面积能量理论,丰富了超声波马达的理论。 对原来的多振动片式驻波超声波马达进行了改进,与原来的样机相比,在性能上有了很大的提高,为今后进一步研究打下了良好的基础。


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