行波型PMNT壓電單晶超聲電機(jī)設(shè)計(jì)制作及性能分析.pdf

1、超聲電機(jī)技術(shù)引入國(guó)內(nèi)不到30年，相關(guān)運(yùn)行機(jī)理在不斷的探索和完善中前進(jìn)。從發(fā)展現(xiàn)狀來看，各種類型的超聲電機(jī)基本還是以鉛基壓電陶瓷為主，發(fā)展相對(duì)比較成熟，也有少數(shù)得以商用。但是隨著社會(huì)科技的不斷發(fā)展，尤其是現(xiàn)代航空航天、生物醫(yī)療、信息電子、精密儀器等髙科技領(lǐng)域和現(xiàn)代工業(yè)對(duì)高精密自動(dòng)化控制的需求越來越大，對(duì)超聲電機(jī)的高性能化與多功能化要求更高。實(shí)際應(yīng)用要求電機(jī)的各項(xiàng)性能在低溫或真空等特殊環(huán)境下保持穩(wěn)定，從而需要更深入地認(rèn)識(shí)壓電單晶超聲電機(jī)的驅(qū)

2、動(dòng)模型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料加工等科學(xué)和技術(shù)層面的關(guān)鍵問題，為驅(qū)動(dòng)電機(jī)技術(shù)發(fā)展應(yīng)用提供科學(xué)技術(shù)依據(jù)。
　　本論文選取壓電性能更好，且低溫電性能更為穩(wěn)定的壓電單晶PMNT為電機(jī)驅(qū)動(dòng)材料，設(shè)計(jì)制作行波型壓電單晶超聲電機(jī)，謀求拓展超聲電機(jī)的使用范圍。課題就PMNT單晶各向異性及超聲電機(jī)振動(dòng)模態(tài)，定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行深入研究：
　　以[001]、[111]兩個(gè)方向極化的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMNT）單晶在應(yīng)變條件下的全套物理參數(shù)矩陣為基

3、礎(chǔ)；以歐拉轉(zhuǎn)動(dòng)定理、Bond張量變換矩陣壓電陶瓷中的虎克定律、壓電效應(yīng)為理論依據(jù)；以MATLAB為工具，分別計(jì)算得到[001]、[111]兩個(gè)方向極化的PMNT單晶介電常數(shù)、壓電常數(shù)及彈性順服系數(shù)的三維空間分布。確定了可以消除材料各向異性的切向，同時(shí)通過分析兩種單晶性能的特點(diǎn)得出各自適用的超聲電機(jī)種類。
　　利用ANSYS有限元分析軟件，對(duì)?20行波型超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)制建模并進(jìn)行有限元模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析，選取B(0,5)為超聲電機(jī)

4、的振動(dòng)模態(tài)。并且通過改變支撐板厚度、齒高、齒數(shù)、齒槽比依對(duì)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)確定了定子結(jié)構(gòu)。最后對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行有限元靜態(tài)及模態(tài)分析，確保了定、轉(zhuǎn)子耦合振動(dòng)接觸不受干擾。
　　基于以上分析所得[001]方向極化的PMNT切向切割單晶，并按照?20型行波型電機(jī)的需求設(shè)計(jì)單晶分區(qū)。對(duì)單晶的電性能進(jìn)行測(cè)試，論證了切向的準(zhǔn)確性。對(duì)定子諧振頻率測(cè)試，與有限元分析得到結(jié)果相比誤差小于?2.5kHz。依據(jù)定、轉(zhuǎn)子優(yōu)化結(jié)果，對(duì)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子及相關(guān)配件精