单振子激励的面内行波旋转超声电机原理

提出了一个单振子激励的面内行波旋转超声电机原理.该电机具有一个连接一个杆形振子的圆环形定子和两个锥形转子,锥形转子由预压力机构压在定子圆环的内边缘.杆形振子为夹心式结构,两组压电陶瓷固定在其中.一组用于激励杆的纵向振动;另一组用于激励杆的弯曲振动.有限元仿真表明: 在杆的纵向振动和弯曲振动共同作用下,定子环上形成了面内行波.利用这个原理制作的样机具有如下性能:空载转速36 r/min,堵转力矩0.25 N·m,起动时间2.53 ms,关断时间3.48 ms.该型电机的定子利用了一个振子激发定子环面内行波,结构简单、紧凑,可望用于机器人关节和一些姿态调整机构的驱动.     

一种新型圆柱定子3自由度球形压电超声电机

3自由度超声电机利用圆柱定子的 3种同频共振模态 ( 2个正交的弯曲摇摆振动和 1个纵向振动 ) ,两两分别叠加、合成 ,通过摩擦驱动球转子分别绕 3个轴旋转 .根据这一原理可将该电机改装成多自由度直线电机 .通过有限元方法设计定子的结构和模态 ,利用阻抗测试方法测得的定子共振频率、模态与设计相符 ,同时测量了球转子绕 3个轴的转速特性 .为了提高 3自由度圆柱超声电机的定转子传动效率 ,对圆柱型定子锥形端面作了进一步优化设计     

一种新型圆柱定子3自由度球形压电超电电机

3自由度超声电机利用圆柱定子的3种同频共振模记（2个正交的弯曲摇摆振动和1个纵向振动），两两分别叠加，合成，通过摩擦驱动球转子分别绕3个轴旋转，根据这一原理可将该电机改装成多自由度直线电机，通过有限元方法设计定子的结构和模态，利用阻抗测试方法测得的定子共振频率，模态与设计相符，同时测量了球转子绕3个轴的转速特性，为了提高3自由度圆柱超声电机的定转子传动效率，对圆柱型定子锥形端面作了进一步优化设计。     

双振子型直线超声电机

为提供驱动精密直线进给系统所需要的低速大力矩超声电机,提出了一种双振子型直线超声电机,该电机由2个对称的利用弯曲模态作为工作模态的摇头型振子组成,每个振子包含一个压电堆--它由4片夹心PZT-4压电陶瓷片组成.研究确定了柔性支架安装位置.然后,通过仿真计算选取该电机工作模态为三阶弯曲振动B3模态.经过模拟电机工作环境并对电机进行工作测试,可得出该电机在小预压力情况下,电压峰峰值Up-p为311 V时测得最大空载速度v0为704 mm/s;预压力F0为12.69 N、 Up-p为226 V时,堵转力F为2.1 N.测试结果表明该电机基本满足驱动精密直线进给系统的要求.     

纵弯复合多自由度超声电机的研究

提出了一种新型单振子多自由度超声电机结构,由单一驱动足产生多自由度驱动轨迹,驱动转子多自由度运动,其输出端驱动质点运动轨迹的大小和方向可以通过两正交换能器的复合激励进行矢量控制,可以产生3种改变运动方向的正交椭圆轨迹.对十字交叉换能器做了模态分析,对纵振和弯振做了模态简并,建立了驱动足的运动轨迹方程,并分析了典型驱动方式下驱动足的运动轨迹.研制了一种基于单振子纵弯换能器驱动的多自由度球形超声电机,该电机具有结构紧凑、绝对输出力矩大、驱动简单等优点,从根本上解决了多振子驱动形式带来的各驱动振子之间的相互干扰和阻碍问题.实验测试样机绕X、Y轴旋转时,输出转距为0.97 N·m,最高转速为11 r/min,绕Z轴旋转时,输出转距为0.27 N·m,最高转速为66 r/min.     

超声波电机的应用领域拓展

超声波电机是一种利用压电陶瓷的逆压电效应使定子产生超声振动，并通过定子和转子间的磨擦来驱动转子运动的新型电机，工作原理不同于传统的电磁电机。本文简单介绍了超声波电机的发展历史及到目前为止超声波电动机的应用研究，并在此基础上指出超声波电机的发展方向。     

弯曲振动超声换能器的振动特性及辐射声场研究

对弯曲振动气介式超声换能器的振动特性及辐射声场进行了研究.该换能器由中心激励的弯曲振动圆盘及纵向振动夹心式压电陶瓷换能器组成.对圆板的轴对称弯曲振动进行了分析,得出了边界简支薄圆板的共振频率方程,推出了夹心式换能器与弯曲圆盘复合振子的机电等效电路及总体频率方程,并求出了其辐射远场声压分布指向性的解析表达式及换能器辐射近场的三维声压分布.结果表明,弯曲圆盘换能器的近场声压分布同样具有指向性,且主要分布在与换能器横向尺寸相同的空间内.对于弯曲振动圆板不同振动模式,等效电路参数及声场分布和指向性不同.     

一种L形大推力板结构直线超声电机

为了在扁平作动空间内有效地提高超声电机的输出性能,研制了一种板结构直线超声电机。该电机包括由2个相互垂直的矩形板振子组成的L形定子和直线导轨,利用两振子弯曲振动所形成的对称和反对称模态,通过两相模态切换,实现电机的双向运动。首先,运用有限元方法分析了前端盖开槽对驱动足振幅的影响,通过开设一道圆弧槽增加驱动足处的振幅;其次,研究了振子的螺栓紧固方式对压电陶瓷中预应力的影响,针对矩形板振子结构扁平、横向尺寸大的特点,在振子横截面中部两侧各采用1根螺栓进行紧固,以提高预应力的大小和分布的均匀性;最后,制作样机并开展了实验研究。实验结果表明,电机最大空载速度为435mm/s,最大推力达100N,推重比为54.6。     

柱面行波超声电机机构及理论研究

本文提出了柱面驱动行波超声电机,利用压电陶瓷的逆压电效应激励出圆柱壳体沿圆周方向的非轴对称振动模式,壳体沿轴向振动是同步的,避免了定子上各驱动质点与转子间接触的不均匀性。给出了该电机定子上压电陶瓷的极化、分布及驱动方式,设计了电机的固定及施加预紧方式。采用有限元分析软件ANSYS9.0对压电陶瓷和壳体构成的定子结构进行了模态及瞬态分析,确定电机定子各尺寸参数。测试电机机械输出特性指标为：最大空载转速：64r/min,最大转矩：1.8N.m。     

超声波电机应用领域拓展探讨

超声波电机是一种将压电振子在超声域的振动能转换成机械能的电动机。传统的电机是靠电磁力旋转的,而超声波电机则应用压电元件产生的振动驱动移动体转动。本文主要探讨超声波电机的发展历史及其应用,并明确指出了超声波电机的发展方向。     

大力矩行波超声电机的性能

研制了一种新结构、大力矩行波型的超声电机。该超声电机中,压电片被粘接到金属体上构成振动体,作为转子,并与外壳接触。电机的外壳兼作定子。通过转子、定子之间的摩擦力驱动转子转动。这种电机结构除减少了单独的转子部件外,还提高了超声电机的力矩输出性能。利用有限元方法对电机的转子进行优化设计,计算了直径100mm的行波超声电机的转子的模态。根据设计制作出样机。并对样机性能进行了测试,堵转力矩超过了4N.m。该电机具有重要的应用前景。     

夹心式扭转-弯曲复合模式压电超声换能器的研究

在均匀截面细棒扭转及弯曲振动理论的基础上,研究了一种夹心式扭转－弯曲复合模式压电超声换能器．该换能器由均匀截面金属细棒及两组极化方向不同的压电陶瓷元件组成．文中导出了换能器的共振频率设计方程,并从理论及实验上实现了同一换能器中扭转及弯曲振动的同频共振．实验表明,换能器的扭转振动共振频率与弯曲振动共振频率基本一致,实测值与设计值基本符合．     

哈尔巴赫永磁体阵列在无轴承瓣形薄片电机中的应用

磁悬浮转子的拖动系统以其独特的优势,在高转速、长寿命、超密封等驱动领域有广阔的应用前景。由于无轴承薄片电机结构紧凑且只需要三个自由度的悬浮控制,在很多领域具有很高应用价值。通过对传统无轴承瓣形薄片电机的分析,提出利用哈尔巴赫永磁环体取代转子永磁体,并建立数学模型,利用有限元方法对定子单元产生的径向力进行仿真计算,结果表明,由于哈尔巴赫永磁转子结构无需铁芯,使无轴承瓣形薄片电机控制力减至最小,同时减小了转子的转动惯量,提高了电机控制性能和运行平稳性。     

欠驱动式外骨骼手指康复机器人的设计和仿真

本文提出一种新的基于脑电信号控制的外骨骼手指康复机器人系统,该系统主要由外骨骼手指康复机器人、脑电信号系统(EEG)、肌电信号系统(EMG)、人机交互系统、电机控制单元、相关传感器和工作站组成.患者通过外界的视觉刺激产生脑电信号,工作站经过对这些信号采集和处理后传递给电机控制单元控制,并驱动电机实现穿戴在患者手上的外骨骼手指机器人运动,辅助其完成康复训练.该机器人主要采用欠驱动的方式,由安装在手背处的电机带动同步齿形带传动机构实现机器的三个关节的弯曲和伸展运动.文章主要利用UG软件对手指机器人进行设计和ADAMS软件进行运动仿真.根据机器人运动轨迹和机器人末端的运动参数曲线可以看出该手指机器人具有运动平稳,不存在运动死点等特点,且机器人能满足人体手指的运动要求,符合人体工学的设计特点,仿真实验证明能够辅助患者进行重复性康复训练.     

单相驱动的弯曲旋转超声电机数值模拟及试验

提出了一种新型单相驱动的弯曲旋转超声电机,建立了该型电机的有限单元模型.通过定子的模态分析,确定了关键工作参数;建立了动子和转子接触有限元模型,对其工作过程进行了瞬态分析,验证了该型电机的原理可行性;根据仿真分析结果,加工制造出该型弯曲旋转超声电机.初步研究表明:该型电机有比较高的空转转速和堵转力矩;驱动电源为单相,电源结构简单,样机制造成本低,提高了可靠性;样机机构实现了高转速、大扭矩、超精密的倾斜动力传输.因此该型电机可以作为精密倾斜动力传输机构.     

大功率气介声波换能器的研究

研究了一种大功率气介声波换能器，该换能器由夹心式功率超声换能器及一个弯曲振动金属盘组成；推出了换能器各组成部分的共振频率设计方程；设计了一些换能器振子，实验表明，在小信号条件下，换能器的共振频率测试值与理论值符合很好。     

柱面驱动新型行波超声电机的研究

为增加定转子接触面积,使接触应力分布均匀,从而减少接触区磨损,提高电机的机械性能,利用壳体的非轴对称振动模式,成功地研制出一种柱面驱动新型行波超声电机．在设计的电机结构中,给出了压电陶瓷的极化、分布和驱动方式,运用有限元分析软件ANSYS9．0对定子进行了模态和谐响应分析,并运用振动理论推导了定子齿上的椭圆运动轨迹方程．实验表明,该电机在驱动电压有效值为150V、驱动频率为16．1kHz时,堵转转矩为1．8N·m,最大空载转速为64r／min,说明电机的连续运转性能良好,能够保证定转子之间的良好接触,使电机平稳转动,从而提高了电机的机械输出性能．     

夹心式纵-弯复合振动模式超声换能器的研制

研究了一种新型的夹心式纵－弯复合振动模式压电超声换能器．这种换能器用两套压电陶瓷片分别产生纵振动和弯曲振动．利用波动方程的通解,再加上边界条件,推出了纵振动和弯曲振动的频率方程．由频率方程设计出换能器的尺寸,使两种振动模式工作在同一频率．为验证设计理论,制做了一个频率为１０ｋＨｚ的换能器．实验结果表明,换能器的共振频率与设计值基本吻合．     

一种单电机驱动外骨骼康复机械手的 机构设计与运动分析

根据人手生物学结构,文章设计并制作了一种可用于手指康复训练的外骨骼机械手。该康复机械手由单一电机驱动,可同时训练5个手指,每个手指训练机构具有2个自由度,分别完成弯曲/伸展和内收/外展运动。文章详细介绍了康复机械手的结构及功能,采用封闭矢量方程建立了康复机械手训练机构的运动学模型,并分析了康复机械手的运动空间;利用ADAMS软件仿真了康复机械手各个关节点、指尖点的运动轨迹和3个关节所受到的力与力矩。制作的样机近端指间关节和远端指间关节弯曲角度关系曲线与正常成年男性食指的对应关系曲线相比较,可决系数R~2=0.913 4,验证了该康复机械手设计方案的可行性和功能性。     

纵弯复合模式超声换能器设计

设计了一种夹心式纵弯复合振动模式超声换能器,该换能器由纵向夹心式压电超声换能器与弯曲正六边形薄板组成.采用有限元方法,对一定几何尺寸边界自由的正六边形薄板进行模态分析,得到中心位移最大的某一模态,设计以该模态的频率作为共振频率的纵弯复合模式换能器.实验结果表明,换能器的共振频率测试值与设计值基本吻合,达到预期设计目标,这种六边形辐射板换能器可应用于特殊环境的超声测量,或应用于超声生物处理和声化学反应设备中,对该换能器的设计和理论模拟有利于更好掌握其振动特性及其产生的声场分布,对实际应用有指导意义.