压电谐波电机驱动系统非线性主共振分析

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1、振动!测试与诊断第!"卷第!期.',9!":'9!#$%"年"月&(*9#$%"&'()*+,'-./0)+1/'*"23+4()353*167/+8*'4/4!"##%$9%";<$$=9>*?/9/44*9%$$;@"A$%9#$%"9$!9$#B压电谐波电机驱动系统非线性主共振分析!李"冲!"许立忠%燕山大学机械工程学院"秦皇岛"$""$$;&摘要"为了探索压电谐波电机的机械@压电系统的非线性共振特性"设计了一种集压电驱动!谐波传动和活齿传动为一体的机电集成压电谐波电机'在非线性压电和非线性弹性效应的基础上"建立

2、了驱动系统非线性机电耦合动力学方程'利用C/*DE3F@G'/*>+)H法推导了驱动系统非线性主共振响应方程"得出了主共振幅频响应曲线"分析了不同非线性效应对主共振响应的影响"最后通过四阶I(*83@J(11+数值法验证了解析解的正确性'结果表明#在两种非线性效应中"非线性压电效应对主共振响应的影响是主要的(压电堆主共振出现在偏离固有频率较远处"且随着频率改变响应值出现跳跃现象(数值解与解析解响应曲线吻合较好'关键词"压电电机(谐波电机(非线性(主共振(C/*DE3F@G'/*>+)H法中图分类号"EK%%!9%加工等

3、提出了较高要求'引"言笔者提出了一种不同类型的机电集成压电谐波)%#*电机'与传统压电谐波电机相比"该电机集压电近年来"以形状记忆合金!电致伸缩!磁致伸缩驱动!活齿传动和谐波传动于一体"通过活齿啮合取和压电主导的智能材料发展迅速"其中压电材料成代柔轮来驱动转子"这是活齿系统在压电电机中的)%*创新应用'驱动系统对电机的正常运转起着至关重为科研人员关注的热点'适应于各场合的各类微)#*要的作用"然而由于非线性压电效应和材料非线性型驱动装置层出不穷#E'L+5+将安装了球形压电)!*弹性效应的存在"使得系统的输出也呈现非线

4、性特电机的相机用在管状探测机器上(&3'*8等研制了一台用在微型设备上的三足式薄状旋转压电电性'在电机工作过程中"非线性主共振会使压电堆机(赵淳生团队研发的直径为!$55的压电超声电的输出位移和输出力发生局部变化"进而使波发生机用于+嫦娥三号,光谱仪上"协助探测器在月球表器产生的谐波不规范"使得活齿受力的规律打乱"最);*终影响电机的输出效率和转矩"同时会出现电机间面完美着陆'传统压电电机主要靠摩擦传递运动"且能输出歇性停转或者转速不稳定等问题'笔者通过C/*D较大转矩"但也存在接触面易于磨损!接触材料造价E3F@G'

5、/*>+)H解析法和四阶I(*83@J(11+数值法对)<@"*非线性主共振进行求解和验证'高等缺点'非接触式压电电机虽避免了定转子)B*间的摩擦"但其承载较低受到制约'压电谐波电机弥补了一些不足"德国M,/N3)O+)1P设计和制造$"机电集成压电谐波电机工作原理)A*了一种利用谐波齿轮来工作的谐波型压电电机")Q*该电机能够获得$9B<:5输出转矩'辛洪兵等机电集成压电谐波电机如图%所示"电机由驱动提出了一种含有位移放大机构的压电谐波电机'系统和传动系统构成'其中#驱动系统包括#个压电)%$*RP3*等利用#$个压

6、电堆研制了一台类似于谐堆!#个弹性体和摆动体等(传动系统包括波发生器!波电机的工作在径向弯曲模态的压电超声电机'李中心轮!活齿架和!$个活齿等'电机利用互为Q$S方)%%*霞等提出了一种新型压电谐波电机"该电机通过位的两压电堆作驱动源'初始时刻"各零件相互接波发生器产生周期性运动"使柔轮产生周期性变形"触(当给两向压电堆接入带正偏置相位差!$#的余弦从而实现电机低速转动'以上谐波电机大都采用了信号后"压电堆开始轴向伸缩变形"弹性力带动弹性传统谐波齿轮传动"因而对柔轮材料的抗疲劳强度!体运动"同时使摆动体朝弹簧方向移动(

7、当压电堆零!国家自然科学基金资助项目%<%#B<;;%&(河北省研究生创新资助项目%$$!$#@"!B$$$%&收稿日期##$%<@$<@%!(修回日期##$%<@$Q@$A

8、"可得压电堆轴向振动的非线性机电耦合动力学方程为####-#-#-#-$&*&#"*&+!!#%%'###,'!#%#,&&'#(#,#%)&$')&%>'4%!(&')&#>'4%#!(&&%<&其中#为压电堆密度'$&图%"机电集成压电谐波电机T/89%"U*3,3>1)'53>P+*/>+,/*138)+13FP+)5'*/