该文提出了一种新型的方孔定子行波超声电机, 并进行了参数设计、仿真分析和实验研究。定子由1个方孔金属体和4块压电陶瓷片组成, 通过与直径大于定子内边长的转子配合发生弹性变形, 从而对转子产生预压力,便于驱动。利用有限元软件对定子进行模态分析, 选择第三阶模态作为工作模态, 得到定子最大振幅与激励频率、电压、壁厚、边长及圆角半径的关系, 并研究了频率、电压及预压力对转子输出特性的影响。制作了实体样机并测试了其输出特性, 测试表明, 当电压为100 V、激励频率为31.5 kHz时, 其空载转速为215 r/min, 堵转力矩达到1.58 mN·m。

该文研究了拟发挥压电叠堆大输出力的特点, 并提出了一种压电叠堆驱动的超声电机。电机定子由压电叠堆与金属弹性体结构组成, 定子在交变激励信号下产生行波振动, 并通过摩擦耦合驱动转子旋转输出。该文制作了样机, 并搭建了实验平台。测试结果表明, 电机转速与驱动电压呈正相关关系。当驱动电压峰-峰值为310 V时, 电机最大输出转速为42.55 r/min, 输出扭矩为0.8 N·m。

提出了一种新型含有不完全齿的圆环型行波直线超声电机, 电机的动子滑块在一定预压力下紧贴在圆环型振子外表面齿形结构的端面上, 4个压电陶瓷片间隔90°均布于圆环型结构的内侧, 4组驱动齿分别与压电陶瓷片位置间隔45°布置。电机工作时, 仅一处驱动齿工作, 通过轮换不同工作齿的方式可提高超声电机的寿命。电机利用两个同频正交的面内三阶弯曲模态工作。利用有限元软件对振子进行了动态设计与仿真, 分析了结构参数对模态的影响。加工制作了原理样机, 并测试了样机的振动特性及输出性能。实验结果表明, 该电机在激励电压峰-峰值为240 V, 激振频率为30.459 kHz, 预压力为0.6 N时, 电机运行平稳, 最大输出力为90 mN, 电机的空载速度为102 mm/s。

该文提出了一种新型锥壳形旋转行波超声电机, 该锥壳形超声电机振子的三阶弯曲振动模态可以将面内、外弯曲振动结合起来, 实现新型振动模式的行波驱动。利用有限元软件确定了振子结构尺寸、三阶弯曲振型及频率并制作了原理样机, 对原理样机振动特性及输出性能进行了测试。测试结果表明, 当激励电压峰-峰值为240 V, 谐振频率为27.53 kHz时, 空载时超声电机最高转速为85.8 r/min, 堵转力矩为441 mN·mm。

为比较驻波直线超声电机双驱动足同时驱动与交替驱动的两种工作模式, 该文提出了一种多足驱动的超声电机振子。该振子双侧共有4个驱动足, 其中一侧的2个驱动足实施同时驱动模式, 另一侧的2个驱动足实施交替驱动模式, 便于比较及分析两种模式之间的性能差异。通过有限元仿真确定了压电振子的结构尺寸、弯曲工作模态及固有频率,制作振子并开展了振子的振动特性和输出性能及其比较的实验研究。实验结果表明, 在激励电压峰-峰值100 V、谐振频率26.30 kHz的条件下, 交替驱动时空载速度和最大输出力比同时驱动提高了14%和40%。在交替驱动模式下, 避免了因多个驱动足互相干扰动子而导致压电振子输出功率降低的问题, 输出速度和输出力得以提高, 与同时驱动模式相比, 交替驱动模式有利于改善输出性能。

该文提出了一种基于多模态复合型压电振子驱动的球形超声电机。利用单个振子的一阶弯振模态、一阶纵振模态和弯-弯振动组合模态实现驱动足的二自由度驱动, 通过两个空间垂直布置的压电振子的合成驱动实现球转子的三自由度转动。利用Ansys Workbench有限元软件对振子进行模态分析和谐响应分析, 并优化设计其结构参数。加工制作了原型样机, 并测试了不同预压力下的频率转速特性。结果表明, 当预压力为10 N时, x、y轴最大空载转速可达130 r/min, 采用异步并联驱动方式的z轴最大空载转速可达155 r/min。

针对目前超声电机振子主要采用纵振或弯振复合而较少采用扭曲振动的形式, 该文设计了一种弯扭复合模态的超声电机振子, 该振子的振动模态由一阶扭转振动模态和二阶弯曲振动模态耦合而成。采用有限元法对二阶弯曲振动模态和一阶扭转振动模态固有频率在不同振子尺寸参数下的规律进行分析, 并将这些规律拟合为两个多维函数的基础上, 以提高二阶弯曲振动模态和一阶扭转振动模态固有频率一致性为目标, 采用最速下降法对振子结构进行优化设计。实验结果表明, 优化设计后振子的二阶弯曲和一阶扭转振动固有频率一致性较优化前有明显提高。

为研究炮弹发射过程中高速过载冲击所产生的残余应力对舵机超声电机定子的影响, 该文采用有限元ANSYS对超声电机定子进行过载冲击仿真分析, 加载高过载加速度使其内部产生残余应力, 并在超声频率段(30~50 kHz)内进行模态分析。初选定工作模态, 当频率段为39~42 kHz时,在模态分析的基础上进行谐响应分析, 进一步验证初选模态, 并分析电机定子是否含有残余应力的性能特性。结果表明, 在受高速过载冲击后,定子的残余应力对定子工作模态振型及谐响应振幅存在一定影响, 对于超声电机自身工作特性影响不大, 或在一定范围内, 针对特定工况条件有所改善。

该文设计了一种双驱动足直线超声电机, 其振子具有对称圆锥变幅杆的双驱动足结构, 工作模态为相互正交的2个三阶弯曲振动。建立了振子有限元模型, 分析了振子主要结构参数尺寸对2个柱面驱动足模态的影响规律。并基于此以降低2个驱动足工作模态频率差, 提高工作模态与干扰模态频率差为多重目标, 对振子尺寸进行了优化设计。实验测试结果表明, 优化后2个驱动足工作模态频率差降低了67.2%, 所设计的双足直线超声电机最高速度大于320 mm/s, 最大负载大于11 N。

为了丰富旋转超声电机的型式, 该文提出了一种复十形定子正交模态驱动的旋转超声电机。选取定子的面内、外弯振作为电机的工作模态, 阐述了定子驱动机理。建立了定子有限元(FEM)模型, 对电机进行模态分析, 基于两相工作模态频率一致性的目标对定子进行尺寸优化, 最终确定定子的主要尺寸L、H、K、J、I、D分别为18.2 mm、3.2 mm、3.6 mm、4.3 mm、11.6 mm、3.4 mm, 此时两相模态频率分别为37 851 Hz和37 959 Hz。对电机进行谐响应分析, 以排除干扰模态的影响。对电机进行瞬态分析, 当以250 V、37 800 Hz的信号激励时, x、y、z各向振幅可达3.93 μm、3.61 μm、4.12 μm。探究了电机的调压、调频及调相特性, 设计了电机的装配结构,该电机有望产生较大的动力及速度。