【摘 要】
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微型压电超声电机是一种不同于传统电磁电机的新型电机,其原理是利用压电材料的逆压电效应,将施加在压电陶瓷上的电能转化为定子的机械振动,再通过定子、转子之间的摩擦接触,将定子的高频机械振动转化为转子的旋转运动。它具有结构简单、低速大转矩、响应时间短、不受磁场干扰等优点,在民用驱动、医疗器械、微纳定位驱动、武器装备中有着广泛的应用前景。本研究的主要内容为对基于压电厚膜的微型超声电机进行结构设计、仿真优化
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目No.51975104; 国家重点研发计划项目变革性技术关键科学问题专项课题No.2018YFA0703204; 大连理工大学宁波研究院创新团队项目
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微型压电超声电机是一种不同于传统电磁电机的新型电机,其原理是利用压电材料的逆压电效应,将施加在压电陶瓷上的电能转化为定子的机械振动,再通过定子、转子之间的摩擦接触,将定子的高频机械振动转化为转子的旋转运动。它具有结构简单、低速大转矩、响应时间短、不受磁场干扰等优点,在民用驱动、医疗器械、微纳定位驱动、武器装备中有着广泛的应用前景。本研究的主要内容为对基于压电厚膜的微型超声电机进行结构设计、仿真优化以及实验研究。通过ANSYS有限元建立了微型压电厚膜超声电机仿真模型,求解了超声电机定子部分的振动特性以及超声电机整机的机械输出特性。通过电喷印、电极分区极化等工艺制备了微型压电厚膜超声电机定子部分;通过激光多普勒测振仪、高速相机等测试装置对所制备微型压电厚膜超声电机的振动特性以及机械输出特性进行测试。首先,对基于行波旋转型超声电机的运行机理进行分析,从理论上推导出旋转行波的形成条件;同时通过ANSYS有限元软件建立了微型压电厚膜超声电机仿真模型,求解了超声电机定子部分的共振频率、动态振幅,并以工作频率做为优化性能指标对定子的结构尺寸进行了仿真优化。然后,基于电流体喷射打印工艺制备了外径为4.3mm,厚度为0.05mm的环形压电厚膜,通过高温共烧、退火结晶、分区极化等工艺实现了PZT压电陶瓷的功能化,并组装了超声电机定、转子整机;最后通过激光多普勒测振仪、高速相机、函数发生器等设备搭建了超声电机性能测试装置,完成了超声电机的机械输出特性测试。最后,基于微型压电厚膜超声电机仿真模型设计开发了行波旋转型压电超声电机仿真软件,基于ANSYS-APDL语言建立了超声电机参数化仿真模型,通过Python语言设计开发了行波旋转型超声电机仿真软件界面,同时编制了软件的使用操作帮助说明书以及仿真结果报告,最终将仿真软件的所有配套文件进行集成,完成行波旋转型超声电机仿真软件的设计。
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