【摘要】：與傳統電磁電機相比,超聲波電機具有結構緊湊、低速大轉矩、電磁兼容性好等優(yōu)勢,被廣泛應用在航空航天、醫(yī)療器械和精密儀器等領域。由于超聲波電機在微小型化產品的應用中更具優(yōu)勢,因此在保證體積不變的條件下,提高超聲波電機的功率和效率具有重要的研究意義和工程價值。本文建立了壓電振子含三類損耗的等效電路模型,并研究損耗特性對于機械品質因數的影響。介紹一種新型駐波型超聲波電機,并通過含損耗的等效電路模型,對電機定子特性進行分析。在新型電機的研究基礎上,分別開發(fā)了具有自校正步進特性、大力矩特性以及雙向運轉特性的駐波型超聲波電機。此外,本文提出一種壓電作動器優(yōu)化的驅動方式,為進一步提高壓電作動器(包括超聲波電機)的效率和工作穩(wěn)定性提供基礎。本論文的主要研究內容和成果如下:1.壓電振子主要包含三類基本損耗,即介電損耗、機械損耗和壓電損耗。本論文針對壓電振子常用的k_(31)振動模式,建立一種含三類損耗的等效電路模型。通過對四種不同負載結構的樣品進行仿真和實驗分析,證明了壓電陶瓷的三類損耗,尤其是壓電損耗,對于壓電振子能量耗散機制的重要影響。2.研究一種具有較高功率密度的新型駐波型超聲波電機。對工作于徑向振動模式下的定子建立含三類損耗的等效電路模型,通過仿真結果分析壓電陶瓷的三類損耗對共振頻率和反共振頻率處機械品質因數的影響,并討論定子結構參數變化對于定子頻率特性和機電耦合能力的影響。通過對樣機的實驗測試結果表明,當驅動信號為200V_(pp)的方波電壓時,樣機的堵轉力矩可以達到0.27Nm,空載轉速為147r/min。3.針對壓電作動器在共振頻率處發(fā)熱現象較為嚴重的問題,從提高壓電作動器效率和性能穩(wěn)定性的角度出發(fā),提出一種優(yōu)化的驅動方式。通過大功率測試系統對Langevin換能器進行恒速度下的功率測試,可以得出結論:最小輸入功率(最大機械品質因數)位于共振頻率和反共振頻率之間。實驗結果表明,與在共振頻率處驅動相比,利用優(yōu)化頻率的驅動方案可以使所需的輸入功率下降一半,即機械品質因數提高為兩倍。4.設計一種新型自校正式步進超聲波電機,該電機通過定子彈性葉片和轉子定位槽的配合設計,可以實現在開環(huán)控制下無累積誤差的步進運行。電機的外徑設計為30mm,高度為10mm。通過對樣機的實驗研究表明,樣機的步距角為45°,在100V_(pp)的驅動電壓下,堵轉力矩可以達到55mNm。與同類型步進電機相比,新型結構的步進電機兼具體積小,轉矩大和驅動方式簡單的優(yōu)勢,并具有極高的可擴展性。5.在新型駐波型超聲波電機的基礎上,分別設計一種大力矩駐波型超聲波電機和一種雙向駐波型超聲波電機。通過對具有特殊性能的電機進行設計,擴展了此類駐波型超聲波電機的應用范圍。
【圖文】：

A. Williams 和 W. Brown 就申請了歷史上第一個“壓電oelectric Motor）的美國專利[1]，其結構如圖 1-1 所示，四片壓電陶瓷分別粘振子的側面上，并分為兩組分別施加兩相正交電壓，，激發(fā)出兩個頻率相同的從而使彈性體端部形成橢圓搖擺運動。但由于當時材料性能和加工技術的 USM 沒有得到進一步發(fā)展。

A. Williams 和 W. Brown 就申請了歷史上第一個“壓電oelectric Motor）的美國專利[1]，其結構如圖 1-1 所示，四片壓電陶瓷分別粘振子的側面上，并分為兩組分別施加兩相正交電壓，激發(fā)出兩個頻率相同的從而使彈性體端部形成橢圓搖擺運動。但由于當時材料性能和加工技術的 USM 沒有得到進一步發(fā)展。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM359.9

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