基于偏心輪受迫振動的壓電馬達研究.pdf

1、壓電馬達是當(dāng)前新型驅(qū)動器的研究熱點，它在工業(yè)控制系統(tǒng)，汽車專用電器，辦公自動化設(shè)備以及智能機器人等領(lǐng)域都有著十分廣闊的應(yīng)用前景。然而現(xiàn)有的壓電馬達主要依靠壓電定子振動，通過摩擦傳動驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)或者直線運動，一般運動速度較低，還存在磨損嚴(yán)重，輸出功率小，效率低等一系列問題。為了從根本上解決這些問題，探索新型原理的壓電馬達，徹底擺脫其對摩擦力的依賴，論文首次提出一種新型原理的壓電馬達:基于偏心輪受迫振動的壓電馬達，并完成了對其從理論設(shè)計、制

2、造裝配到實驗研究和應(yīng)用探討的一系列工作。論文主要成果和創(chuàng)新點如下:
　　首次提出了基于偏心輪受迫振動的壓電馬達。針對現(xiàn)有的壓電馬達存在的問題，為了使得壓電馬達在速度、功率和效率等方面都有所提高，從發(fā)明不依賴于摩擦力驅(qū)動的新型原理壓電馬達的角度思考，提出一種新型基于偏心輪受迫振動的壓電馬達。該壓電馬達使用軸承實現(xiàn)定子與轉(zhuǎn)子之間的幾何連接，利用壓電疊堆的強迫振動的方式將壓電振動能量饋入轉(zhuǎn)子實現(xiàn)新型非摩擦力的驅(qū)動機理。為了使得壓電疊堆的

3、功率有效饋入偏心輪轉(zhuǎn)子中，在設(shè)計中對偏心輪的不平衡量與壓電換能器輸出特性進行了合理的匹配，在實驗中，對壓電疊堆的驅(qū)動電壓相位進行了優(yōu)化。該新型壓電馬達的提出為壓電馬達特別是高速壓電馬達的研究和發(fā)展提供了新的思路。
　　建立了基于偏心輪受迫振動的壓電馬達力學(xué)模型。根據(jù)運動的微分方程，分析計算轉(zhuǎn)子質(zhì)心和形心軌跡以及偏心輪轉(zhuǎn)子在受迫振動中饋入的能量。根據(jù)饋入能量大小的求導(dǎo)運算，獲得了壓電疊堆驅(qū)動電壓理論最佳初始相位ψ0=π/2，在該最佳

4、初始相位的電壓驅(qū)動下，對軸承進行了受力分析，給出了該新型壓電馬達的微觀工作機理，為該壓電馬達的實驗提供了理論依據(jù)。
　　設(shè)計和制作了所提出的基于偏心輪受迫振動的壓電馬達裝置。探索了壓電疊堆制作工藝，壓電疊堆由26層厚度為0.7mm的壓電陶瓷片堆積而成，通過打磨，割縫，引線，極化以及表面絕緣處理等八個步驟的處理，獲得了經(jīng)濟實用的壓電疊堆。利用ANSYS有限元分析軟件設(shè)計了與之匹配的位移放大機構(gòu)，其位移放大比為4.62倍，靜態(tài)下輸出位

5、移可達160μm。根據(jù)預(yù)期壽命，選擇了6001氮化硅軸承作為實驗軸承，將壓電疊堆、位移放大機構(gòu)以及軸承通過帶有直角鉸鏈的軸承座進行連接和裝配形成了馬達的定子。首次利用偏心輪作為壓電馬達的轉(zhuǎn)子，并根據(jù)定子輸出特性匹配設(shè)計了偏心輪轉(zhuǎn)子的不平衡量。根據(jù)偏心輪轉(zhuǎn)子工作狀況對其進行了強度校核，提高了設(shè)計的可靠性。理論分析了六種不同偏心輪轉(zhuǎn)子的工作速度范圍，為實驗研究提供了理論數(shù)據(jù)。最后選擇和設(shè)計了馬達的輔助裝置，包括內(nèi)耗較低的直流電磁電機及其支架

6、，L形底座，霍爾傳感器及其支架。通過對定子，轉(zhuǎn)子及輔助裝置進行合理裝配形成了一整套壓電馬達的機電系統(tǒng)。
　　實驗研究了所制作的基于偏心輪受迫振動的壓電馬達輸出性能。首先給出了馬達的實驗啟動方案，獲得了驅(qū)動電壓實驗最佳初始相位為ψ0=π/2，與理論分析結(jié)果一致。然后以偏心不平衡量較大的6＃偏心輪為轉(zhuǎn)子，對馬達的輸出特性進行了測試研究，獲得了馬達的空載輸出速度特性，在壓電疊堆的工作頻率僅為152Hz下，馬達的輸出速度高達9120rpm

7、，是目前存在的高速壓電馬達之一。同時，測試了該頻率下壓電馬達的輸出功率為8.45W，平均效率為25.3％，實驗結(jié)果表明該新型壓電馬達綜合性能得到了提高。最后，測試了另外五種偏心輪轉(zhuǎn)子的工作頻率范圍，實驗結(jié)果顯示，隨著偏心輪轉(zhuǎn)子不平衡量（m·r）的降低，馬達的啟動頻率和截止頻率都逐漸增加，實驗結(jié)果與理論計算一致。對于偏心輪最小的1＃偏心輪而言，實驗測試獲得速度高達15000rpm，這是目前文獻可見的壓電馬達最高速度。該壓電馬達原理新穎，結(jié)