薄型超聲電機(jī)兩相及單相激勵時的工作機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)研究.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 天馬行空官方博客 QQ 1318241189 QQ 群 175569632 薄型超聲電機(jī)兩相及單相激勵時的工作薄型超聲電機(jī)兩相及單相激勵時的工作 機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)研究機(jī)理分析與實(shí)驗(yàn)研究 摘 要 該文對環(huán)狀超聲電機(jī)定子中的行波的特征進(jìn)行了分析 探討了行波狀態(tài)下電機(jī)定子端面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動軌跡與矩形板表 面質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動軌跡之間的差異 指出了圓環(huán)定子內(nèi)圓周側(cè)面 中的部分區(qū)域具有對電機(jī)轉(zhuǎn)子的推動作用 據(jù)此設(shè)計了一種可 實(shí)現(xiàn)電機(jī)薄型化的新結(jié)構(gòu) 并制作了樣機(jī) 完成了電機(jī)定子性 能測試和電機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn) 運(yùn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn) 具有較大的輸出轉(zhuǎn)矩 實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn) 電機(jī)在只輸入單相交變 電壓時仍能實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn) 分析了這一現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理 依據(jù) 上述機(jī)理 可以設(shè)計一種新型駐波超聲電機(jī) 關(guān)鍵詞 超聲電機(jī) 橢圓運(yùn)動 定子 1 引言 壓電超聲電機(jī)是一種有別于電磁電機(jī)的新型電機(jī) 它首先 利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激發(fā)電機(jī)定子的超聲振動 然后借 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 助于電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的摩擦耦合驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)動 由于所利用電機(jī)定子振動模態(tài)的不同 壓電超聲電機(jī)在性 能及結(jié)構(gòu)上具有各自不同的特點(diǎn) 通常的環(huán)狀行波壓電超聲電 機(jī)利用圓環(huán)定子的彎曲振動模態(tài) 此類電機(jī)定 轉(zhuǎn)子的接觸界 面為圓環(huán)平面 電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子沿軸向接觸 關(guān)于此類電機(jī)的 研制 已有研究者做過不少有意義的工作 1 7 文獻(xiàn) 1 和 2 分 別提出了此類電機(jī)設(shè)計和特性預(yù)估的方法 文獻(xiàn) 3 用有限元法 進(jìn)行了電機(jī)定子的響應(yīng)分析 研究了定子直徑對定子振動的影 響 文獻(xiàn) 4 提出了一種基于定子齒三維運(yùn)動的行波超聲電機(jī) 并對定子齒的三維運(yùn)動進(jìn)行了探討 與利用圓環(huán)定子非軸對稱 模態(tài)的另一類環(huán)狀超聲電機(jī)相比 此類行波超聲電機(jī)的優(yōu)勢在 于能輸出較大的轉(zhuǎn)矩 但電機(jī)厚度的減小受到電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子 沿軸向接觸結(jié)構(gòu)的限制 本文試圖在實(shí)現(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)薄型化的同 時又使電機(jī)具有較大的輸出功率 為此 對電機(jī)定子質(zhì)點(diǎn)行波 狀態(tài)下的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了分析 提出了一種新的電機(jī)結(jié)構(gòu) 實(shí) 際制作了樣機(jī) 并進(jìn)行了定子掃頻實(shí)驗(yàn)和樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 給出 了樣機(jī)定子掃頻實(shí)驗(yàn)和樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 在樣機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 中 發(fā)現(xiàn)電機(jī)在只輸入單相交變電壓時仍能實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)轉(zhuǎn) 本 文分析了這一現(xiàn)象產(chǎn)生的機(jī)理 依據(jù)上述機(jī)理 可以設(shè)計一種 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 新型駐波超聲電機(jī) 2 電機(jī)結(jié)構(gòu) 圖 1 為本文提出的電機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖 其中的外圈為圓環(huán)型定 子 轉(zhuǎn)子安裝在定子內(nèi)圈 電機(jī)的轉(zhuǎn)子由兩塊半圓柱型零件和 彈簧組成 彈簧安裝于兩半圓柱型零件的內(nèi)部 通過此彈簧產(chǎn) 生的彈力使轉(zhuǎn)子的外圓周側(cè)面和電機(jī)定子的內(nèi)圓周側(cè)面相互接觸 如圖 2 所示 電機(jī)定子由環(huán)型鋼片與環(huán)型壓電陶瓷片粘結(jié) 而成 定子的前后兩面為壓電陶瓷片 中間一層為環(huán)形鋼片 在此鋼片的內(nèi)圓周側(cè)面上均勻分布矩形小齒 鋼環(huán)的內(nèi)圓周面 做成兩端為圓臺面中間為圓柱面的結(jié)構(gòu) 相應(yīng)地 電機(jī)轉(zhuǎn)子一 端也帶有同樣斜度的圓臺面以保持與電機(jī)定子圓臺面的良好接 觸 這時 電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子的接觸面就不是單純的柱面或圓臺 斜面 而是兩者的組合形式 由于在這種結(jié)構(gòu)中 電機(jī)定子和 轉(zhuǎn)子的接觸不沿定子的圓環(huán)端面 而沿定子圓環(huán)的內(nèi)圓周側(cè)面 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 另外 電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的預(yù)緊力沿定子圓環(huán)的徑向施加 避免了由電機(jī)預(yù)緊機(jī)構(gòu)所帶來的電機(jī)厚度的增加 所以可以顯 著減小電機(jī)厚度 3 兩相電壓激勵時電機(jī)的工作機(jī)理 以環(huán)型定子的軸線為 z 軸 在定子下環(huán)面建立柱坐標(biāo)系 分別給壓電陶瓷片施加正弦和余弦兩相電壓 則圓環(huán)型電機(jī)定 子任一質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡表達(dá)式 3 為式 1 和式 2 的合成 4 式中 Jm為第 m 階貝塞爾函數(shù) m 為波數(shù) w 為角頻率 r 為質(zhì) 點(diǎn)的極徑坐標(biāo) 此時在圓環(huán)型電機(jī)定子上激發(fā)出一列面外行波 但這列行 波與矩形板上的行波不同 假設(shè)同樣一波數(shù)為 m 角頻率為 w 的行波沿矩形板長度方向傳播 則直角坐標(biāo)系中矩形板上質(zhì)點(diǎn) 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 位移可表為下式 9 式中 x 為矩形板質(zhì)點(diǎn)在行波傳播方向即板長方向上的坐標(biāo) 比較式 3 和式 4 可知 在任一時刻 環(huán)形定子質(zhì)點(diǎn)的振 幅除與行波傳播方向即圓周方向上的坐標(biāo) j 有關(guān)外 還與質(zhì)點(diǎn) 所處的徑向坐標(biāo) r 有關(guān) 并且 r 0 處質(zhì)點(diǎn)的振幅為零 相同 j 坐標(biāo)質(zhì)點(diǎn)的振幅隨極徑坐標(biāo) r 的增大而增大 而矩形板質(zhì)點(diǎn)的 振幅則只與行波傳播方向即板長方向上的坐標(biāo) x 有關(guān) 做出矩 形板和環(huán)形定子波峰處的斷面圖 圖 3 以斷面左上角 A 點(diǎn) 為例 可知在所做斷面上 環(huán)形定子質(zhì)點(diǎn)的位移與矩形板質(zhì)點(diǎn) 位移相比 增加了一個徑向分量 Sr 徑向分量 Sr的存在使得電 機(jī)定子質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動軌跡隨之發(fā)生傾斜 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 在圖 3 中可以看出 矩形板質(zhì)點(diǎn)橢圓運(yùn)動軌跡的兩對稱軸 分別為質(zhì)點(diǎn)的軸向位移 Szb和切向位移 St 而環(huán)形定子質(zhì)點(diǎn)橢圓 運(yùn)動軌跡的兩對稱軸則分別為質(zhì)點(diǎn)的軸向位移 S 和切向位移 St 當(dāng)所增加的徑向分量 Sr指向環(huán)形定子軸線時 則定子質(zhì)點(diǎn) 的橢圓運(yùn)動軌跡所在平面傾向環(huán)形定子軸線 這種傾斜使得除 定子圓環(huán)端面之外 定子圓環(huán)內(nèi)圓柱側(cè)面的上端和下端各有一 窄的圓柱側(cè)面 其上質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動可以推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動 為了 使得電機(jī)具有較大的輸出功率 在利用上述的窄圓柱側(cè)面的同 時 還應(yīng)利用定子圓環(huán)端面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動 本文電機(jī)利用定 子內(nèi)側(cè)的一個圓臺面及圓柱面驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子 以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo) 又因?yàn)殡姍C(jī)定子和轉(zhuǎn)子沿徑向接觸 從而可顯著減小電機(jī)厚度 4 電機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 為進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)定子所用壓電陶瓷片的激振頻率 檢驗(yàn)電 機(jī)定子的兩相電壓激振的效果是否相同 對電機(jī)定子進(jìn)行了掃 頻實(shí)驗(yàn) 所用實(shí)驗(yàn)儀器為 HP3562 圖 4 為 1 號壓電陶瓷片粘結(jié) 鋼片后 不加轉(zhuǎn)子 A 相通電時的掃頻結(jié)果 圖 5 為 1 號壓電陶 瓷片粘結(jié)鋼片后 不加轉(zhuǎn)子 B 相通電時的掃頻結(jié)果 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 由上圖的掃頻結(jié)果可以看出 在 20 50kHz 的范圍內(nèi) 無論 是 A 相通電時的掃頻結(jié)果還是 B 相通電時的掃頻結(jié)果 電機(jī)定 子都只在 29 45kHz 處出現(xiàn)了一個共振峰 且兩相的激振效果十 分接近 證明在樣機(jī)定子上可以用兩相交流信號激發(fā)出一列行 波 樣機(jī)研制成功后 對樣機(jī)進(jìn)行了兩相驅(qū)動時的實(shí)驗(yàn) 圖 6 和圖 7 分別為兩相驅(qū)動單片壓電陶瓷片時得到的電機(jī)空載狀態(tài) 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 下的電機(jī)轉(zhuǎn)速與電壓關(guān)系圖和電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率關(guān)系圖 圖 6 和 圖 7 中各散點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù) 曲線為數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果 由圖 7 可知 電機(jī)在 29 2 29 3kHz 的范圍內(nèi)速度達(dá)到最大 值 與圖 4 和圖 5 中掃頻實(shí)驗(yàn)所得諧振頻率數(shù)值 29 45kHz 相符 證明本樣機(jī)的設(shè)計是可行的 隨后進(jìn)行的電機(jī)拖動實(shí)驗(yàn)表明 電 機(jī)具有較大的轉(zhuǎn)矩 在承受帶有軸向力的載荷時轉(zhuǎn)矩更大 5 單相激勵時電機(jī)工作機(jī)理分析 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 采用單相電壓激勵 有利于整個電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化 此 前單相驅(qū)動電機(jī)的顯著結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在圓環(huán)定子端面的特定位置 上設(shè)置數(shù)個小齒 由這些小齒驅(qū)動轉(zhuǎn)子 8 9 其工作機(jī)理在于給 壓電陶瓷片施加單相電壓時 可同時激發(fā)出環(huán)型定子的兩個彎 曲模態(tài) 因?yàn)檫@兩個模態(tài)為單相電壓信號激勵產(chǎn)生 所以并不 能形成行波 電機(jī)應(yīng)為駐波型電機(jī) 在這兩個彎曲模態(tài)下 圓 環(huán)定子端面波峰位置小齒的運(yùn)動軌跡為沿定子軸向與沿定子切 向的合成 可用來推動轉(zhuǎn)子 在本文電機(jī)中 小齒則均布于定 子的內(nèi)圓周側(cè)面 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) 單相電壓激勵時電機(jī)仍能實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn) 圖 8 所示為本文電機(jī)壓電陶瓷片的極化分區(qū)圖 壓電陶瓷 片均分為 12 等分 按兩正兩負(fù)順序循環(huán)排列 分別依次按一正 一負(fù)順序用導(dǎo)線連接各等分 可構(gòu)成電機(jī)的兩相輸入 采用兩 相輸入則電機(jī)定子上將激發(fā)出一列行波 單相輸入則激發(fā)出一 列駐波 即一彎曲模態(tài) 在電機(jī)定子上激發(fā)出彎曲模態(tài)時 由 式 1 可知 定子質(zhì)點(diǎn) z 方向上的位移隨所在極徑 r 的不同而不 同 這將使得定子質(zhì)點(diǎn)有一徑向位移分量 將電機(jī)定子圓環(huán)展 開成直線形式 觀察電機(jī)定子上端面內(nèi)圓周上的各質(zhì)點(diǎn) 則此 圓周質(zhì)點(diǎn)的徑向位移呈波浪狀 當(dāng)電機(jī)定子內(nèi)側(cè)的齒和槽的中 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 心線不在波峰或波谷位置 則緊靠波峰的 6 個小齒將推動電機(jī) 轉(zhuǎn)子 如圖 9 所示 一個振動周期內(nèi)這 6 個小齒的變形特征如下 當(dāng) t 0 時 6 個小齒靜止于縱向及橫向的平衡位置 且均保持 與轉(zhuǎn)子的接觸 此時定子對轉(zhuǎn)子沒有推動作用 當(dāng) 0 t T 4 時 小齒 1 3 5 向上運(yùn)動 保持與轉(zhuǎn)子的接 觸且使齒與轉(zhuǎn)子之間的彈力增大 同時在橫向產(chǎn)生向左的運(yùn)動 小齒 2 4 6 向下運(yùn)動 逐漸脫離與轉(zhuǎn)子的接觸 同時在橫向 產(chǎn)生向右的運(yùn)動 故小齒 1 3 5 推動轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動 小齒 2 4 6 由于遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子而不能推動轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子可實(shí)現(xiàn)順時針轉(zhuǎn) 動 當(dāng) t T 4 時 小齒 1 3 5 在縱向位于波峰位置 在橫向 位于左端最大位移位置 小齒 2 4 6 在縱向位于波谷位置 在橫向位于右端最大位移位置 轉(zhuǎn)子仍然順時針轉(zhuǎn)動 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 當(dāng) T 4 t T 2 時 小齒 1 3 5 向下運(yùn)動 逐漸與轉(zhuǎn)子脫 離 同時在橫向開始由左端最大位移位置向右運(yùn)動 小齒 2 4 6 向上運(yùn)動 但仍保持與轉(zhuǎn)子的脫離狀態(tài) 同時在橫向 開始由右端最大位移位置向左運(yùn)動 在此期間 定子不會推動 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子因?yàn)閼T性仍可順時針轉(zhuǎn)動 當(dāng) t T 2 時 6 個小齒在縱向方向位于平衡位置 在橫向 方向也位于平衡位置 且均與轉(zhuǎn)子相接觸 當(dāng) T 2 t 3T 4 時 小齒 1 3 5 向下運(yùn)動 與轉(zhuǎn)子相脫 離 同時在橫向產(chǎn)生向右的運(yùn)動 小齒 2 4 6 向上運(yùn)動且與 轉(zhuǎn)子相接觸 同時在橫向產(chǎn)生向左的運(yùn)動 因此轉(zhuǎn)子可實(shí)現(xiàn)順 時針轉(zhuǎn)動 當(dāng) t 3T 4 時 小齒 1 3 5 在縱向位于波谷位置 在橫 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 向位于右端最大位移位置 小齒 2 4 6 在縱向位于波峰位置 在橫向位于左端最大位移位置 當(dāng) 3T 4 t T 時 小齒 1 3 5 向上運(yùn)動 但仍與轉(zhuǎn)子脫 離 同時在橫向開始由右端最大位移位置向左運(yùn)動 小齒 2 4 6 向下運(yùn)動 也與轉(zhuǎn)子脫離 同時在橫向開始由左端最 大位移位置向右運(yùn)動 在此期間 定子不會推動轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子因 為慣性仍可順時針轉(zhuǎn)動 當(dāng) t T 時 6 個小齒在縱向方向位于平衡位置 在橫向方 向也位于平衡位置 均與轉(zhuǎn)子相接觸 由此可知 只給定子輸入單相激勵電壓時 盡管不能在定 子上激發(fā)出行波 但仍可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子的推動 由圖 8 所示 當(dāng) 用另一相電壓信號激勵定子時 由于兩相電壓激發(fā)出的波形相 差 1 4 個波長 所以 t T 4 時第 1 個波峰的位置對比圖 9 中 t t 4 時 第 1 個波峰位置右移 1 4 個波長 按此可找到此時 所有波峰和波谷的位置 在上述每一波峰和波谷的位置右側(cè)分 別設(shè)置一個小齒 則可以推動轉(zhuǎn)子逆時針轉(zhuǎn)動 由上述分析 如果在電機(jī)定子內(nèi)側(cè)的上述位置設(shè)置 12 個小齒 則可以實(shí)現(xiàn)單 相驅(qū)動條件下電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 6 結(jié)論 此文檔收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán) 請聯(lián)系網(wǎng)站刪除 此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流 為使環(huán)型行波超聲電機(jī)既具有較大的輸出功率 又具有較 小的厚度 本文提出了一種薄型化的行波超聲電機(jī) 并進(jìn)行了 初步的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)