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本论文主要研究新型的频率控制型单驱双向杆式压电电机,包括结构设计、工作原理分析、性能测试及微型化等方面内容的研究。
实现这种新型电机的思想源于不对称器件的设计,利用器件的不对称性,使某一频率模态控制某一方向力场旋度,而另一模态控制反方向的力场旋度,在两种模态间切换即可实现不同方向力场旋度的控制。具体通过对电机定子截面的不对称性设计来实现,使得定子某一频率的简并模态分裂出具有一定频率之差的两个衍生模态,同时激发这两个衍生模态的振动可以在定子端部耦合出某一个方向的椭圆轨迹;而另一模态的两衍生模态可耦合出相反方向的椭圆轨迹;通过两种模态切换即可实现对转子的方向控制。
根据这一设计思想我们提出B2-B3、B3-T2和B2-B12三种工作模式的压电电机;有限元分析说明这三种模式电机的可行性;我们也加工了原型机来验证这一可行性。其中第一款原型机,工作模态分别为B2和B3弯曲模态,其在21.8-23.0kHz范围(B2)内实现顺时针旋转,在51.5-52.1kHz范围(B3)内实现逆时针旋转;第二款原型机的工作模态分别为B3弯曲模态和T2扭转模态,在49.9-52.5kHz范围(B3)内实现逆时针旋转,在57.6-59.0kHz范围(T2)内实现顺时针旋转;第三款原型机的工作模态分别为B2和B12弯曲模态,在20.3-21.5kHz范围(B2)内实现逆时针旋转,在32.3-33.1kHz范围(B12)内实现顺时针旋转。原型机的测试结果与理论和有限元分析结果相吻合。
最后根据第三种压电电机的结构与工作原理试制出一款直径Φ1mm,长度6.7mm微型杆式压电电机,其在78kHz附近实现逆时针方向旋转,在148kHz附近实现顺时针方向旋转。
研究这种新型压电电机的目的在于:(1)简化电机的结构并减少零部件数量,(2)简化压电电机加工与装配工艺,(3)简化压电电机的控制方法和驱动电路,(4)降低成本,(5)使包括电机和驱动控制系统的整个压电电机系统更适合于微型化。
这种新型的杆式压电电机由于结构简单且驱动控制电路简单,为压电电机系统的微型化提供一种重要的方法。