液體媒質(zhì)超聲波電機(jī)的理論解析與特性分析.pdf

1、超聲波電機(jī)(UltrasonicMotor)不同于傳統(tǒng)的電磁式電機(jī)，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)作為動(dòng)力源的一種新型電機(jī)。近二十年來，由于大功率壓電陶瓷材料研究的突破，在全世界掀起了超聲波電機(jī)研究的高潮，相繼開發(fā)出多種型式的超聲波電機(jī)。本文介紹了一種基于液體媒質(zhì)的非接觸型超聲波電機(jī)，其轉(zhuǎn)子浸于液體之中，不與定子直接接觸，在壓電陶瓷環(huán)上施加正弦交變電壓信號激勵(lì)定子產(chǎn)生超聲振動(dòng)，振動(dòng)所產(chǎn)生的能量通過液體傳遞給轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋

2、轉(zhuǎn)。該電機(jī)有效地克服了接觸型超聲波電機(jī)不能長時(shí)間運(yùn)行、使用壽命短等缺點(diǎn)，是超聲波電機(jī)領(lǐng)域的一個(gè)新的研究方向。 首先，本文介紹了液體媒質(zhì)超聲波電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及運(yùn)行機(jī)理，闡述了電機(jī)的運(yùn)行過程：在壓電陶瓷環(huán)上通以四路相位互差90°的正弦交變電壓信號后，由于逆壓電效應(yīng)定子會(huì)產(chǎn)生超聲頻域的振動(dòng)，然后將振動(dòng)所產(chǎn)生的能量通過液體傳遞給轉(zhuǎn)子，從而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。揭示了液體媒質(zhì)中的雷諾切應(yīng)力是電機(jī)聲流場的驅(qū)動(dòng)力。 其次，運(yùn)用相關(guān)理論分析了定

3、子壓電振動(dòng)的產(chǎn)生及行波的合成原理、液體中質(zhì)點(diǎn)和聲場的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；對液體聲流場做出了系統(tǒng)的理論解析，并建立了數(shù)學(xué)模型；將聲流場同電機(jī)轉(zhuǎn)速聯(lián)系起來，對電機(jī)轉(zhuǎn)速同定子超聲振動(dòng)、液體聲流場、轉(zhuǎn)子半徑等因素的關(guān)系進(jìn)行了分析。 然后，在系統(tǒng)理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合液體媒質(zhì)超聲波電機(jī)能量傳遞過程的特點(diǎn)，本文分別對定子振動(dòng)、聲流場特性、電機(jī)轉(zhuǎn)速特性及驅(qū)動(dòng)頻率、驅(qū)動(dòng)電壓、液體媒質(zhì)、轉(zhuǎn)子半徑等因素對電機(jī)運(yùn)行特性的影響進(jìn)行了Matlab仿真。仿真結(jié)果表明

4、：當(dāng)電源驅(qū)動(dòng)頻率等于定子諧振頻率，轉(zhuǎn)子半徑在由零到聲流速率取最大值的半徑范圍內(nèi)取值時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)隨轉(zhuǎn)子半徑的增大而增大，隨驅(qū)動(dòng)電壓的升高而升高，同時(shí)近似地與液體的粘性系數(shù)成反比。 最后，在理論解析與Matlab仿真的基礎(chǔ)上，本文用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電機(jī)的基本運(yùn)行特性，測定了電機(jī)轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)頻率、驅(qū)動(dòng)電壓、液體媒質(zhì)、液面高度、液體粘性系數(shù)和轉(zhuǎn)子半徑等因素的關(guān)系。將實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有很好的一致