驻波型直线超声电机的动力学特性研究

作者：李响

来源：博士, 南京航空航天大学, 2017.

• 直线超声电机
• 动力学建模
• 动力学分析
• 摩擦接触
• 热机电耦合
• 非线性特性

驻波型直线超声电机以其紧凑的结构、低速高精度的定位能力、直接输出直线运动等特点在精密定位、工业制造、航空航天等诸多领域具有重要应用。但是,由于其特殊的定子材料（压电陶瓷）和摩擦驱动的工作方式,造成驻波型直线超声电机具有许多复杂的动力学特性,从而影响电机的运行稳定性和可靠性。随着超声电机产业化的发展和应用需求,人们对电机的运行稳定性和可靠性提出了更高的要求,这就需要对电机的动力学特性进行更加深入和全面的研究。为此,本文针对驻波型直线超声电机中诸多基本的和复杂的动力学特性开展理论和实验研究,研究的主要内容和成果如下:（1）回顾并总结了国内外关于超声电机动力学特性研究的现状,指出深入研究驻波型直线超声电机动力学特性的必要性。（2）制作了一台用于实验研究的基于面内纵弯模态的驻波型直线超声电机,并通过实验证明了该实验样机具有良好的机械特性和稳定的运行能力。（3）通过电学接触实验验证了驻波型直线超声电机定、动子之间存在间歇式的接触。（4）基于Hamilton原理和Rayleigh-Ritz假设模态法,建立了样机的整机动力学模型。分析了电机定子的谐振频率、机电耦合系数、电机的驱动机理、输入参数以及定动子接触状态对电机输出性能的影响等基本动力学特性。研究表明,该模型能够解释驻波型直线超声电机的运行机理和评估电机的输出性能。（5）基于一款著名的驻波型直线超声电机,提出了一个新的摩擦接触模型,并用于研究电机定、动子接触界面的stick-slip-separation动力学。仿真结果表明,在较低的激励电压或较大的预压力情况下,接触界面更容易出现stick-slip运动,而超声振动产生的减磨效应则会削弱接触界面的stick-slip运动。此外,研究还表明接触界面的slip-separation运动更有利于电机的速度输出,而接触界面的粘着运动不利于电机的速度输出甚至会造成非线性死区现象。（6）提出了一个模拟定、动子碰撞的碰撞振动物理模型,并用于研究采用硬摩擦副的驻波型直线超声电机定、动子之间的接触动力学。利用基于冲量的恢复系数法建立和求解了考虑定子质心振动的定、动子碰撞振动动力学的模型。通过引入一个利用拉格朗日乘子,分析了定、动子碰撞过程中可能产生的非线性粘滞运动。（7）考虑大电压激励下定子的非线性振动特性,基于非线性压电本构关系建立了一个可用于分析试验样机热机电耦合动力学特性的整机动力学模型。仿真和实验结果表明,该模型能够预测电机连续运行时其定子温度的动态变化,评估热机电耦合效应对电机输出性能的影响,反映大电压激励下电机谐振频率漂移、速度饱和等非线性特性。

• 出版日期2017
• 单位南京航空航天大学