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杆状弯曲行波型超声电机运动机理的分析

时间:2017/7/15 9:04:00   来源:本网   添加人:admin

  杆状弯曲行波型超声电机结构国家自然科学基金重点项目(编号=瓷与电极片通过上、下配重块与带螺纹的轴连接压紧。压电陶瓷的极化布局如(6)所示。当在A相压电陶瓷上施加交变电压时,激发出左右方向的一阶弯曲振动;当在B相压电陶瓷上施加相位相差90°的交变电压时,激发出前后方向的一阶弯曲振动。两相电压同时施加时,两个在时间和空间上相差90°的弯曲振动模态合成为一个绕定子轴线旋转的弯曲模态,从而在定子端面形成行波,驱动转子转动,如。

  2运动机理分析杆状弯曲行波型超声电机利用的是弹性梁的一阶弯曲振动。如果在压电陶瓷片上作用一交变电压:vU)=vmSin,梁就在压电陶瓷的作用下产生强迫振动,强迫振动响应为:如(6),P点在X方向上位移可以表示为:由于弯曲振动振幅很小,弯曲角0也很小,上述位移可近似表述为:同理,当B相激振时,P点在Y方向的位移为:假设P为定子表面任一点,如U)。当A相单独激振时,根据(1)式,令定子梁中性层位移方程为:(a)P点位置示意图(6)经过P点平行于ZQX面剖面图定子端面任一点位移示意图以下讨论如何求得P点沿z轴方向的位移。令P点沿z轴方向的位移为,则是A、B两相激振时引起的纵向位移和的叠加。(6)中为A相单独激振下P点沿z轴方向位移。由材料力学知识可知,在微小变形情况下,定子梁变形符合弯曲变。280.形的平面假设:梁在变形前的横截面在变形后仍为一平面,并仍然垂直于变形后的梁轴线,只是绕截面内的某一轴线旋转了一个角度。根据上述假设:在小变形情况下,上式可以写成:由材料力学知识可知,弯曲角可用下式表示:P点位移示意图以上得到的是P点在坐标系内沿三个坐标轴上的位移分量。为了进一步分析P点的运动轨迹,将沿P点的法向和切向分解,得到的切向和法向位移分别用现假设点P为定子端面沿圆周上任一点,即P为定子上与转子的接触点。且令P点最大弯曲挠度为,则(L)=,WV(L)=tg/二夸。因此构成P点空间位移的三个分量可表示为:从式(13)可以得出如下结论:当A、B两相同时激振时,定子端面上点沿法向、切向和Z轴方向的运动均为一行波,其波数为1,波长为270".定子端面上点在空间上总的运动轨迹为一倾斜的平面楠圆曲线,椭圆平面并不垂直于定子端面,而是向Z轴倾斜一角度,如所示。椭圆运动方程可在z'Pr坐标平面内描述为:可以将总的椭圆运动分解为平行于Z轴的椭圆运动和径向的直线运动:平行于定子端面椭圆运动示意图Z轴的楠圆运动产生驱动转子的驱动力,称为有效椭圆运动,运动方程如式(15);而径向直线运动引起定、转子之间的径向滑动,从而降低电机的效率。

  (音)(4)定子表面质点切向速度为:由于定子与转子接触点中波峰处,即这个速度即为转子运动速度。

  3运动平稳性分析以上讨论了理想情况下两相驻波合成行波的情况,实际情况下两相弯曲振动总存在相位、频率及振幅的差异。下面讨论这些差异对转子运动平稳性的影响。

  3.1两相振幅不同时对转子运动平稳性的影响两相频率不一致或电机结构的不对称都可以使两相弯曲振动的振幅产生差异。假设A相激振时产生的振幅为相激振时产生的振幅为,令A=程可表7K为:由上式可以看出,当两相振幅不同时,定子体中同时存在着行波和驻波D用数值分析方法分析沿定子端面圆周方向的有效椭圆运动变化情况,如。当A关1时,长轴的倾斜角度呈周期性变化;随着A的减小,变化的幅度越来越大。可以直观地看出转子的运动呈周期性变化。

  两相振幅不同时有效楠圆运动轨迹3.2任意相位差时对转子运动平稳性的影响设A、B相位差为任意角种,这时式(13)所示的位移方程为:任意相位差时有效椭圆运动轨迹从上式可以看出,定子中同时存在行波和驻波。考察沿圆周方向有效椭圆运动轨迹的变化,如所示:当种乒-7T々时,长轴的长度和倾斜角呈周期性的变化;随着种的减小,变化的幅度越来越大。可以直观地看出转子的运动呈周期性变化。

  4结论本文分析了杆状弯曲行波型超声电机的运动机理,着重分析了定子体上质点椭圆运动的形成;详细分析了两相振幅不一致和任意相位差时转子运动的平稳性。可以得出如下结论:在两交变电压作用下,时空相差90°的两个弯曲振动在定子端面合成一行波,行波波数为1,波长为27rr.当A、B两相同时激振时,定子表面任一点的运动轨迹为一向2轴倾斜的平面楠。283圆曲线。

  当A、B两相振幅不一致或相位差不为90°时,定子端面同时存在行波和驻波,使转子切向速度以一定角速度呈脉动变化,引起转子运动的不平稳。