超声电机压电振子的动力学特性研究

【摘要】：超声电机是90年代以后才逐步开发应用的新一代高科技电机产品，是动力学、材料学、控制技术及多学科仿真等多学科交叉的一个崭新的研究领域。压电振子是超声电机换能的核心部件，其动态特性集中表征了材料特性、结构模态和驱动电路对超声电机性能的影响。以其动态特性为研究中心，可以深入而系统的了解超声电机的各种参量对超声电机的最终使用性能的影响程度，更为细致的了解超声电机的能量转换机理，从根本上改善和提高超声电机的性能，为创新产品提供设计指导。 本课题从理论模型、有限元数值试验、有限元控制模型等方面以复合振动模式振子为例对超声电机压电振子的动力学特性及其分析方法进行了全面系统地研究，得出了许多有价值的结论，主要概括如下： 1、阐述了目前针对超声电机压电振子的主要建模方法，对压电振子动态特性的研究意义和必要性进行了论述，突出了本文研究内容的迫切性； 2、以压电陶瓷诱发弹性体发生弯曲变形为例，分析了压电陶瓷通过诱发应变来实现机电能量转换的机理；对基于纵弯模式的压电振子的运动及动力传递机理进行了分析； 3、基于模态假定，利用分析动力学的Hamilton原理，建立了面向直线超声电机压电振子的机电耦合动力学模型，并据此建立了压电振子的等效电路模型，导出了电参量与动力学特性参量的耦合方程，为压电振子与驱动电路的匹配提供了依据； 4、从压电陶瓷的本构方程出发，综合力场的弹性动力学方程、几何方程、电场的麦克斯韦方程以及相应的边界条件方程，采用虚位移原理，建立了压电振子动态问题机电耦合场求解的有限元控制方程，为研究其大功率驱动下的非线性本构模型奠定了基础； 5、界定压电振子的动力学特性指标，对压电振子的机电耦合动力学模型参数进行计算及变参数仿真；依据等效电路模型，对压电振子的电学特性进行了仿真分析；通过有限元数值实验，对压电振子工作模态附近的模态振型及工作频率附近的频段进行了激振效果分析，找出了实现模态简并的激振频率；利用有限元控制方程，通过编程计算，对压电振子的力电耦合场参数进行了详细计算，得出了一些有价值的结论。