實(shí)驗(yàn)名稱：大力矩徑向駐波型超聲波電機(jī)有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究

研究方向：超聲電機(jī)

測(cè)試目的：

提出了一種大力矩徑向駐波型超聲波電機(jī)，在實(shí)現(xiàn)電機(jī)大力矩輸出的同時(shí)保持結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)。首先設(shè)計(jì)并分析了電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，采用有限元法分析了電機(jī)定子的振動(dòng)特性。接著制作了超聲波電機(jī)樣機(jī)，樣機(jī)直徑為32mm。采用激光測(cè)振儀測(cè)量了定子的共振頻率及徑向振動(dòng)的振幅，測(cè)量結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合。最后，搭建了電機(jī)輸出特性測(cè)試平臺(tái)，測(cè)量了電機(jī)在不同電壓下的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性。實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果顯示，定子工作模態(tài)的共振頻率為73．3kHz，當(dāng)施加的電壓幅值為100V、頻率為74kHz時(shí)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速為45r/min，堵轉(zhuǎn)力矩達(dá)到0．41N·m。與其他同尺寸的超聲波電機(jī)相比，所提出的徑向駐波型超聲波電機(jī)具有更大的堵轉(zhuǎn)力矩。

超聲波電機(jī)利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將高頻交流電轉(zhuǎn)換為金屬彈性體的超聲振動(dòng)，然后通過摩擦傳動(dòng)將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子或動(dòng)子的旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比，超聲波電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、斷電自鎖、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。作為控制系統(tǒng)的執(zhí)行元件，超聲波電機(jī)在航空航天、機(jī)器人、醫(yī)療器械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，超聲波電機(jī)輸出力矩有限，在一定程度上限制了它的應(yīng)用。若能使超聲波電機(jī)輸出力矩得到改善，則有利于促進(jìn)其在低速大轉(zhuǎn)矩場(chǎng)合的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

圖：徑向駐波型超聲波電機(jī)樣機(jī)

測(cè)試設(shè)備：ATA-4052高壓功率放大器、磁滯制動(dòng)器、直流電源、信號(hào)發(fā)生器等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖：徑向振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證樣機(jī)的輸出性能，搭建了電機(jī)的輸出特性測(cè)試平臺(tái)，如上圖所示。考慮電機(jī)低速大轉(zhuǎn)矩特性，采用磁滯制動(dòng)器作為負(fù)載，并由直流電源給負(fù)載供電，通過調(diào)整直流電壓的大小來調(diào)整負(fù)載大小。電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量獲得。磁滯制動(dòng)器的轉(zhuǎn)軸通過彈性聯(lián)軸器連接到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)軸的一端，電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過彈性聯(lián)軸器連接到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)軸的另一端。采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生高頻正弦信號(hào)并經(jīng)過ATA-4052高壓功率放大器放大后提供給電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電源。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

本文提出了一種大力矩徑向駐波型超聲波電機(jī)，設(shè)計(jì)了電機(jī)的結(jié)構(gòu)，分析了工作原理，采用有限元法研究了電機(jī)定子的振動(dòng)特性，并制作了電機(jī)樣機(jī)，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)量了電機(jī)的振動(dòng)特性和輸出特性。所制作的樣機(jī)直徑32mm，采用定子一階徑向伸縮振動(dòng)作為工作模態(tài)，共振頻率為73．3kHz。當(dāng)施加幅值為100V、頻率為74kHz的正弦交流電時(shí)，電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩分別為45r/min和0．41N·m。與其他超聲波電機(jī)相比，所提出的徑向駐波型超聲波電機(jī)能夠在保持結(jié)構(gòu)緊湊小巧的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大力矩輸出。彈性葉片的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝傾斜角對(duì)電機(jī)性能有較大影響，因此后續(xù)研究中，需要建立電機(jī)定轉(zhuǎn)子的接觸模型，以定量分析彈性葉片的結(jié)構(gòu)尺寸和布置方式對(duì)電機(jī)性能的影響，從而進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)性能。此外，本文所提出的電機(jī)為單向旋轉(zhuǎn)的超聲波電機(jī)，如能對(duì)該電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)雙向旋轉(zhuǎn)的超聲波電機(jī)，比如采用兩個(gè)定子并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的方式，給其中一個(gè)定子通電，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，給另一個(gè)定子通電，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸反向旋轉(zhuǎn)。該雙向旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化也是本文后續(xù)研究工作之一。

安泰ATA-4052高壓功率放大器：

圖：ATA-4052高壓功率放大器指標(biāo)參數(shù)

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