斜入射非接触式声表面波转动马达及其性能研究

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声表面波马达可通过结构简单的叉指电极直接激发声表面波产生驱动信号。因而,声表面波马达除了具有超声马达的优点外(比如高输出力,高速度等等),还有一些其它的优点,比如纳米级的精确定位,易于小型化等等。此外,非接触式声表面波马达通过定子与转子之间流体层中的声流来驱动转子运动。由于不需要依靠转子与定子间的接触摩擦来提供驱动力,故与接触式声表面波马达相比具有无摩擦损耗、寿命更长、转速更高等优点。这也使得非接触式声表面波马达可应用于微流体、芯片实验室等一些特殊的领域。本文主要是在非接触式声表面波马达的基础上进行优化设计,提出了一种斜入射声表面波驱动的非接触式转动马达,并对这种马达的性能进行了实验探究与分析。论文主要由以下四个部分组成:第一章,首先介绍了声表面波马达的研究背景和特点,然后通过几种类型的声表面波马达,简单概括了马达从一维到二维、三维等多自由度,从线性到旋转,从接触式到非接触式的发展历程,并通过分析不同类型马达的特点给出了进一步优化所面临的问题。第二章,主要介绍了对以往非接触式声表面波马达进行优化设计的思路。我们所做的优化设计主要包括两个部分:(1)叉指换能器的结构设计。恰当的叉指结构可大大提高马达的输入电功率转化成声表面波振动的效率。(2)声表面波入射角度的优化设计。通过改变声表面波传播到流体层的角度,可以获得平行于液面方向的纵波,进而提高声表面波振动的能量转换为转子运动的输出效率。第三章,通过实验对斜入射声表面波驱动的非接触式转动马达进行了实验探究。首先在不同的激励电压,入射角度下进行了实验,发现66°倾角时马达角速度最高。然后在66°倾角下研究了转子直径对马达性能的影响,研究发现:对于平行叉指换能器驱动的马达,较小直径的转子可以获得较大的角速度;对于聚焦叉指换能器驱动的马达,其性能会受到转子直径D与两个聚焦叉指换能器中轴线偏移量X的相对大小关系的影响。最后我们研究了不同类型叉指换能器对马达的影响,包括平行叉指换能器与聚焦叉指换能器、双向叉指换能器与单向叉指换能器、40°与60°聚焦角度的叉指换能器,实验发现,40°聚焦的单相单向叉指换能器相比于其它类型换能器具有更好的性能。第四章,对全文进行了概括总结,并指出本课题未来可展开的研究工作。
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