【摘 要】
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超声波马达(Ultrasonic motor,简称USM)是一种新型直接驱动电机.与传统电磁电机相比,它具有低速、大力矩、结构简单、惯性小、响应有尽有快、不受电磁干扰,并可在低温、真空
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超声波马达(Ultrasonic motor,简称USM)是一种新型直接驱动电机.与传统电磁电机相比,它具有低速、大力矩、结构简单、惯性小、响应有尽有快、不受电磁干扰,并可在低温、真空及高辐射等特殊环境下工作的特点,尤其是可直接驱动回转体的特性,避免了传统电磁电机因使用齿轮变速而产生的振动、噪音、低效率等的缺陷.传统的环形行波超声波马达定子由环形弹性体和在其背面粘贴的一层环形压电陶瓷组成.由于这种马达定子靠一片或两片压电陶瓷薄板激励,使其功率受到严重制约;同时,由于采用压电陶瓷薄板的横向耦合模式,使其机电耦合效率很低.因此,这种传统结构的超声波马达输出力矩较小,输出效率较低,只能作为较小型操纵机构的换能器.为了克服传统超声波马达的上述缺点,该课题提出了一种新型换能器的大扭矩超声波马达.利用四套频率特性一致并以纵向振动换能方式工作的夹芯式换能器,通过合理布局实现在一金属圆环中激励出所需的弯曲行波.这种原理与结构不仅使得马达换能振子的功率大幅度提高,同时也大幅提高了机电耦合效率.实验表明,该设计进一步提高了行波马达输出力矩的能力.在结构设计中利用了Ansys有限元分析软件对该样机的定子齿环和换能器进行了分析,得出了定子齿环和换能器的结构参数与模态、频率之间的关系.该论文完成了马达的结构设计和理论建模,制造了原型马达并进行了相关的实验研究,实验结果表明该达最大输出力矩达31.5N·cm,无负载转速为4.6rpm.
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