行波型压电超声马达的机理仿真与设计制作

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1、武汉理工大学硕士学位论文摘要超声马达是一种利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动，通过摩擦耦合驱动，将电能转化为机械能的新型直接驱动马达。与传统电机相比，它具有结构紧凑、低转速高转矩、响应快、不受电磁场干扰、断电自锁等优点，可以应用于航空、航天、汽车制造、生物、医学、化工、轻工、精密仪器仪表等诸多领域，己得到了国内外学者的广泛重视。本文的研究对象主要是行波型压电超声马达，围绕行波超声马达及超声马达用压电陶瓷材料开展研究工作，主要包括马达对压电材料的要求、马达用压电陶瓷的制备、超声马达的有限元仿真建模、超声马达的制作及性能表征等。通过有限单元法、理

2、论解析法及等效电路法探讨了超声马达对压电材料的性能要求。结果表明：提高压电系数，特别是d31，可以显著提高马达定子的表面质点位移，进而提高驱动效率；弹性柔顺系数的改变，对表面质点位移影响不大，但是可以有效的调节马达谐振频率；介电损耗会引起马达发热，影响马达输出速度。根据超声马达对压电陶瓷材料的性能要求，提出了超声马达用大功率压电陶瓷的设计原则。对现有的软性陶瓷PSN．PZN．PZT进行硬性锰掺杂改性，实验结果表明，Mn掺杂量为O．5wt％时，材料具备最佳的综合机电性能，且其频率温度稳定性能也大为改善。将改性的PSN．PZN．PZT应用于超声马达

3、，利用ANSYS有限元分析软件，建立了马达定子的有限元模型，通过模态分析，获得马达的各阶振型及其固有频率，并确定该马达的最优模态。通过谐响应分析，在考虑压电陶瓷压电效应的基础上，对定子齿高、压电片厚度等结构参数进行了优化设计，为超声马达定子的优化设计提供了理论依据。在优化设计的基础上，采用自制压电陶瓷来制备超声马达。研究了定子在谐振点附近的电容、阻抗、导纳的变化特性，为超声马达驱动电路的设计提供了实验依据。定子谐振频率的实测结果与有限元分析结果非常吻合。制作的超声马达样机可达到如下性能：输出转矩O．80N·m：输出空载转速>／i00rpm；输出

4、的位置精度30’；电机效率≥27％。关键词：超声马达t压电陶瓷：有限元分析；优化设计亟竖型三奎堂堡主兰壁堡苎ABSTRACTUltrasonicmotor(USM)isaflewtypedirectdrivemotorofusinganti-piezoelectriceffectsofpiezoelectricceramicsforultrasonicvibrationandtransformtheelectricenergytothemechanicalene瑁MAscomparedwithconventionalelectromagneti

5、cmotor,theultrasonicmotorpossessesthefollowingfeatures：compactnessinsize，high-torqueatalow。speedrange，fastresponse，insensitivetomagneticfields，highholdingtorquewhenpowerisoff,andSOon．Ultrasonicmotorhaswideapplicationforegroundinmanyfieldssuchasaerostat，spacecraft，automobile，

6、biology,physic，precisepositioningdevices，andSOon，soithasbeenpaidmoreandmoreattentionsandhasbeenstudiedasamainissuebythescientistsinmanycountries．Theresearchobjectofthisthesisistravelingwaveultrasonicmotors(TWUSM)．WefocusourattentionontheinvestigationofTWUSMandpiezoelectricce

7、ramicsforTWUSMinthisdissertation．Thethesismainlystudiesthedemandsofthepiezoelectricmaterialsforthemotor，thefabricationoftheceramics，theFEMmodelingofthemotor,themanufactureofthemotor,andSOon．Todiscussthemotor’Spropertydemandsofthepiezoelectricmaterials，thefiniteelementmethod，

8、thetraditionaltheorymethodandtheequivalentcircuitmethodareutilizedinthispap