田字型压电振子驱动的两自由度直线电机研究

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直线型超声电机在发展之初就由于其大推力比、低噪音、断电自锁、微型化等特点广泛应用于现代科技发展的各个领域。本文旨在丰富直线型超声电机的类型,基于超声电机理论提出一种新型的田字型超声电机,本文主要完成了以下的工作:首先,总结了直线型超声电机近几十年的发展情况并了解其国内外研究现状及应用领域,分析现有直线型超声电机的优越性与缺陷,同时预测了其在未来的发展方向;然后,从理论上介绍了超声电机中压电材料的逆压电效应,分析了弹性体的振动理论,得出弹性体的某一固有模态必定有一固定的频率与之对应的结论,同时得出了在适当的电激励下,压电材料可以与定子基体产生共振激发出其固有振型从而得到所需工作模态的结果,通过电机工作环境的要求界定了定子基体与压电材料的种类,重点分析了动定子之间的接触情况,得出了电机在最佳驱动状态时有着与之对应的最适预紧力的结论;接着,通过超声电机理论研究,提出了一种田字型定子的超声电机模型,由田字型定子各项尺寸灵敏度的分析得出其设计尺寸为53.4mm×53.4mm×7.4mm,对工作模态进行模态提取得到其应变与位移曲线从而确定压电材料与驱动足的配置位置,最后给出压电材料的配电方案并分析了驱动足在一个周期内的运动轨迹情况;进而,通过对定子结构的有限元仿真分析得到了在激励电压为250V,激励频率为32286Hz时可以在驱动足得到长轴为1.5μm,短轴为1.3μm的椭圆运动轨迹,探究了在不同的电压、频率与相位时,定子驱动足的响应特性。最后,在确定了动子材料的情况下,通过电机定子与动子之间的有限元接触分析得到了在激励电压为250V、激励频率为32286Hz的情况下,在动子表面施加150N的预紧力,电机整体的速度达到了38mm/s的结论,并且探究了在不同预紧力的作用下,电机运行速度与预紧力之间的关系,印证了最适预紧力的存在。
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