行波型超声电机定子的共振与反共振特性的研究

针对行波型超声电机定子在共振和反共振点附近表现的不同特性,以压电陶瓷材料大功率驱动下的理论分析和电学分析为基础,通过对实验现象的描述和分析,确立了以频率、机械谐振品质因数、机电耦合系数和相对振动效果等参数作为定量和定性分析定子共振和反共振的性能指标。在实验研究中,以激光测振为直接实验手段,设计了相关实施方案,对行波型超声电机定子在不同驱动方式下表现出的共振和反共振特性进行了分析和对比研究。研究结果表明,行波型超声电机定子在反共振点附近的综合性能要优于共振点附近的性能,实验结果可为行波型超声电机工作状态以及驱动方式的选择提供依据和指导。     

纵向振动超声马达的力学模型

提出并建立了一个纵向振动超声马达的力学模型。阐述了超声马达的工作机理,对定子和转子在间断接触时的粘连和滑动做了理论分析,给出了马达的驱动力随时间连续变化的解析表达式。对超声马达的速度、输入输出能量和效率等进行了分析,特别讨论了驱动频率、初始压力、转子的转动惯量和外加力矩对马达特性的影响。数值结果表明,按照本文模型得到的结论与模拟结果和实验结果相吻合。这些结论与结果为超声马达的构造、设计和控制等提供了可资参考的理论依据。     

压电管式弯曲旋转超声电机激励模式研究

为了提高压电管式弯曲旋转超声电机输出特性,推导出定子一、二阶弯曲振动下力系数的计算公式。结果表明,利用定子二阶弯曲振动可获得更大的定子端面输出力。提出了一种将定子分为8个激振区的交叉组合激励模式,可实现定子的二阶弯曲振动激励。基于这种新的激励模式,研制了一台压电管式弯曲旋转超声电机的样机,该样机的定子外径10 mm、内径8 mm、长35 mm。在预压力1.0 N,激励电压峰峰值210 V,工作频率41.3 kHz时,实现了定子的二阶弯曲振动,样机的堵转转矩达到2.45 N·mm,空载转速为206 r/min。与将定子分为4个激振区的同尺寸的超声电机相比,堵转转矩和空载转速分别提高了17%和23%。      

1mm压电柱式超声微电机的研制

介绍了一种超声波微电机的设计研制工作。这种基于压电柱弯曲振动模态的超声波微电机,其直径仅有1 mm细,长约5 mm,重量仅有36 mg。它是采用压电柱作为定子,在压电柱的表面均匀分割出四个电极,进行极化和施加驱动电压。详细介绍了极化方式的选择,电极间隔的优化设计以及对原型样机的性能测试。实验表明,该电机能承受350Vpp的驱动电压,获得1800 rpm的转速和4 μNm的堵转力炬。此外,这种电机具有明显的微型化优势,根据现有工艺还可使电机直径减小到0.5 mm左右。     

弯曲旋转超声电机接触界面锥形角的分析与实验

要提高弯曲旋转超声电机电能转换为机械能的效率,就必须尽量减小其定子与转子之间的相对滑移。并且要使马达定转子之间的摩擦接触界面与接触点的振动轨迹相垂直。先论证了一种数学方法去推算这种弯曲旋转超声电机接触界面的锥角计算公式。然后以压电管超声电机为例,研制了一些外径5mm、内径4mm、长15mm但接触界面锥角不同的样机,通过实验证明马达定转子之间的摩擦接触界面与接触点的振动轨迹相垂直时马达转动效果最好。计算结果与实验结果非常吻合,证明了锥角计算公式的正确性。     

多自由度超声电机的研究现状与展望

多自由度超声电机是将两种以上的超声振动模式按照一定的方式组合,通过在定子的表面产生椭圆运动来实现转子的多自由度转动.文中综述了近年来发展起来的几种多自由度超声电机的结构、工作原理和特征,并就多自由度超声电机的工程应用和未来发展方向进行了展望.     

超声波强化传热的链式反应机理与模拟研究

利用超声外场作用实现强化传热的技术越来越受到人们的关注。本文开展超声波强化传热技术的作用机理分析及数值模拟研究。在理论方面,提出了超声波强化传热机理的新解释——"空化链式反应";在数值模拟方面,建立了超声波强化换热的数值模型,验证了超声波对换热的强化作用。理论分析显示超声空化核心的链式破裂具有减薄边界层、增强换热的效果;模拟给出了不同波动压力和频率下的强化换热情况,当驱动压力为7 kPa和频率为20 kHz时,超声波对流体传热的强化效果最好。     

基于电晕放电原理研究电机的转动性能

基于转子与定子之间受力分析研究不同参量对电机转动性能的影响.分析定子加上高压电后其尖端附近的电荷和电场的变化;根据极间电场的分布,分析电荷在定子和转子之间的运动规律;当电荷漂移运动进行到一定时间后,定子和转子之间产生扭矩驱动转子的转动;再基于库仑定律对转子和定子之间的受力进行计算,并就电离子风对转子转动产生的影响进行理论分析.通过改变转子和定子之间的几何参数以及转子表面的导体材料,分别研究了其对转子转速的快慢和转动的稳定性的影响.     

超声换能器表面的振动状态

从超声波在波密介质和波疏介质之间的传播以及诱发共振发射超声波的角度,讨论了空气中超声声速测量实验所用超声换能器的表面振动状态.理论分析及实验测量结果表明:超声换能器表面振动状态与其结构有关,超声接收器表面位移振幅一般不为零.     

π相移光纤光栅对超声波致非均匀应变场的传感特性

π相移光纤光栅用于水中超声传感时,超声波沿光纤轴向入射和垂直光纤入射时的传感波形及幅度显著不同。针对这一现象,本文建立了基于光学传递矩阵的光纤光栅声传感理论模型,计算了超声波分别沿轴向和沿垂直方向入射时π相移光纤光栅中的非均匀应变场分布,进而分析了光谱偏移,揭示了两种入射角度下π相移光纤光栅的传感特性与声传播导致的应变场分布相关,并通过实验进行了验证。结果表明,两种入射角度产生的不同的非均匀应变场分布对π相移光纤光栅的传感特性影响明显。超声波垂直入射时的传感波形和幅度均优于轴向入射,且π相移处对传感有显著作用。当入射位置远离π相移处时,垂直入射的响应也明显降低。本研究可为π相移光纤光栅超声传感的机理分析提供参考。