一种面内行波旋转超声电机的模态试验方法
一种面内行波型直线超声电机[实用新型专利]
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专利名称：一种面内行波型直线超声电机专利类型：实用新型专利
发明人：杨淋,陈亮,李涵璐
申请号：CN201922103628.5
申请日：20191129
公开号：CN211859984U
公开日：
20201103
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型涉及一种面内行波型直线超声电机，超声电机包括定子组件和动子，定子组件整体呈圆柱结构，其包括圆环柱形定子，在圆环柱形定子的圆周面上均匀布设若干齿条，圆环柱形定子的两个端面分别设置对称的两个薄片圆环状弹性基体；还包括以圆环柱形定子为中心对称设置的两组压电陶瓷片组，每组压电陶瓷片的一侧与薄片圆环状弹性基体连接，每组压电陶瓷片的另一侧设置导电膜，薄片圆环状弹性基体位于圆环柱形定子与压电陶瓷片组之间；动子呈长条状设置，其悬设在圆环柱形定子的圆周表面；本实用新型保证定子尺寸改变时频率一致性容易调节，结构简单，易于微型化，同时能够保持高精度。
申请人：南京航空航天大学
地址：210016 江苏省南京市秦淮区御道街29号
国籍：CN
代理机构：南京经纬专利商标代理有限公司
代理人：徐尔东
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旋转行波超声电机的冲击动力学模拟及实验
２ ０ １ ４年 ２月
振动 、 测 试 与诊 断
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｖｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ＆ Ｄｉ ａ ｇ ｎ ｏ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ１ ．３ ４ Ｎｏ． １
Ｆｅ ｂ ．２ ０ １ ４
旋 转 行 波 超声 电机 的 冲 击动 力学 模 冲击 的特 点 ， 表 现 为 冲击 的
受强 大 的过载后 保 持 正 常 的输 出性 能 ， 将 直 接决 定
摘要
研 究 了冲 击 产 生 的 高 过 载 对 旋 转 型 行 波 超 声 电机 结 构 和 性 能 的 影 响 机 理 和规 律 。 首 先 ， 结 合 旋 转 型行 波 超
声 电机 的 工 作 机 理 和 结 构 形 式 ， 建 立 了该 型超 声 电机 在 冲 击 载 荷 下 的有 限 元 模 型 。 利 用 显 式 算 法 模 拟 其 在 冲 击 过
结 构 在 特 殊 使 用 环 境 中 的耐 过 载 能 力 及 易 损 伤 部 件 。实 验 结 果 表 明 ， 紧 凑 和 简单 的 结 构 特 点 使 得 超 声 电 机 本 身 具 有 较 好 的适 应 大 过 载 环 境 的工 作 能 力 ， 在 直 接 承 ８千 个 重 力 加 速 度 冲击 过 载 后仍 能 维 持 一 定 的 输 出 特性 。
关键 词 冲击 ；高 过 载 ； 旋 转 行 波 超 声 电机 ；显 示 算 法
中图分类号 ＴＭ３ ５ ６ ；Ｔ Ｈ１ １ ３
机等 ） 由于 内部 构成部 件 的结构 和材 料等 限制 ， 在大
引 言
旋转行 波 超 声 电机 （ ｔ ｒ ａ ｖ ｅ ｌ ｉ ｎ ｇ ｗａ ｖ ｅ ｔ ｙ ｐ ｒ ｅ ｒ ｏ ｔ ａ —
一种行波型旋转超声电机的建模方法[发明专利]
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专利名称：一种行波型旋转超声电机的建模方法
专利类型：发明专利
发明人：荆锴,董砚,孙鹤旭,石乐乐,李国庆,梁涛,雷兆明申请号：CN201510749936.9
申请日：20151105
公开号：CN105205295A
公开日：
20151230
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种行波型旋转超声电机的建模方法，是一种TRUM的“电—机—力”混合模型的建模方法，包括以下步骤：第一步：建立“电能－高频振动机械能”过程的定子等效电路模型；第二步：建立“高频振动机械能－转动动能”过程的定转子离散接触模型；第三步，确定接口参数，获得TRUM“电—机—力”混合模型。
该方法以实现按照机电换能关系对电机机理进行解构，通过对各个部分采用不同的方法建模，最终通过合理的接口参数将各部分模型进行联结，从而建立能够反映电机特性并且易于分析的电机混合模型，克服了现有TRUM建模方法存在的无法对定子的齿状结构进行描述、计算难度、复杂度增大和不实用的缺陷。
申请人：河北工业大学
地址：300130 天津市红桥区丁字沽光荣道8号河北工业大学东院330#
国籍：CN
代理机构：天津翰林知识产权代理事务所(普通合伙)
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超声电机性能的实验测试研究
超声电机性能的实验测试研究蔡卫刚【摘要】The ultrasonic motor is a new concept, new motor using piezoelectric materials converse piezoelectric effect, make the stator surface of certain track, then the sub-micrometer range by friction coupling vibration of rotor vibration energy will be converted or slide block or translational motion (macro), this paper explores the energy to stress at different under the action of the frequency, phase of motor speed. The study of ultrasonic motor speed control provides theory basis.%超声电机是一种全新概念的新型电机，它利用压电材料的逆压电效应，使定子表面产生一定轨迹的微米量级的振动，进而通过摩擦耦合将振动动能转换成转子或滑块的宏观运动（转动或平动）动能，文章探究了在不同予应力的作用下电机的频率、相位对转速的影响。
该研究为超声电机转速的控制提供了理论依据。
【期刊名称】《电子设计工程》【年(卷),期】2012(020)019【总页数】3页(P97-99)【关键词】超声电机;多自由度;频率;相位【作者】蔡卫刚【作者单位】西安航空职业技术学院电子工程系,陕西西安710089【正文语种】中文【中图分类】TP391超声电机（Ultrasonic Motor，USM）技术是振动学、波动学、摩擦学、动态设计、电力电子、自动控制、新材料和新工艺等学科结合的新技术。
旋转型行波超声电机网络的性能测试和仿真
０ 引言
超 声 电 机 技 术 是 综 合 了振 动 学 、摩 擦 学 、 电
力 电子 、 自动控 制 和 新材 料 等 众 多学 科 的新 技 术 。
向速度 决定 ，并且 和行 波的传 播方 向相反 。
其 实 质 是 压 电 陶瓷 的逆 压 电 效 应 产 生 定 子激 振 ， 某 频 率 处 产 生 高 频 的微 幅振 动 ，再 通 过 摩 在 擦 将 定子 的微 幅振 动 转 换 成转 子 的 回转 。这 里 定 子 为 一 圆环 形 板 ，其 顶端 质 点 为三 维 的运 动 轨迹 ，
能优 越和发展 迅速 。旋 转型适合在 医疗 、航 空航天等精 密领域中使 用。本文介绍 了超声 电机 的 工作 原理和分 类等 ，着 重分析 了不 同温度下对 电机工作 频率 、机械 特性和摩擦材 料等的变 化 情况 。旋 转型行波超声电机 的性能随温度的升高呈下降趋势。 关键词 ： 超声 电机 ；旋转 型 ；共振 频率 ；机 械特 性
超 声 电 机 由于 其优 越 的 性 能 ，而 受到 广 泛 的关 注 。
超 声 电机 是将 电能 转 换 成机 械 能 ，利 用 压 电 陶瓷
的逆 压 电 效 应获 取 运 动 和 力矩 ，将 材 料 通 过 机 械
共 振 和 摩 擦转 换 成 转 子 的运 动 。 超 声 电机 具 有 结 构 简单 、噪 声 小 、不 受 磁 场 干 扰 、效 率 高 和 控 制 性 能好 等 特点 ，发展 非常 迅速 ，前 景 十分 广 阔 ， 未 来 会用 在 医疗 系统 和安全 系统甚 至一 些特 殊领 域 。 行 波 超 声 电机 由正 交 的 两 组 驻 波 合 成 ，其 中 定 子 质 点 做 椭 圆形 的运 动 。超 声 电机 可 以分 为 直
一种面内行波旋转超声电机的模态实验方法
一种面内行波旋转超声电机的模态实验方法王寅，钱富，金家楣，黄卫清(南京航空航天大学 精密驱动研究所 江苏 南京 210016)摘 要：超声电机定子工作在共振状态，其模态实验是电机定子结构动力学设计和检验的重要手段。
本文介绍了一种面内行波旋转超声电机的工作原理，基于有限元分析软件建立了电机的有限元模型，分析了其工作模态的特点，并结合PSV-300-B 型激光扫描多普勒测振仪的测量原理提出了该类型超声电机的模态实验方法。
实验结果表明，该方法能够有效的检测面内行波旋转超声电机的工作模态，为该类型超声电机的设计和检验提供了参考。
关 键 词：超声电机 面内行波 模态试验 激光多普勒测振Modal testing method of an rotary ultrasonic motor using in plane travelling waveWangYin ， QianFu JinJiamei ，Huang Weiqing(Nanjing University of aeronautics and astronautics Jiangsu Nanjing 210016)Abstract: Modal testing is the key approach for stator dynamic design and verification since ultrasonic motors are operating in the state of resonance. An introduction to operating principle of a rotary ultrasonic motor using in plane travelling wave is presented in this paper. Based on FEA method, modal analysis was conducted in order to identify the features of this ultrasonic motor. Modal testing method of this type of ultrasonic motor was proposed using laser Doppler vibrometer PSV-300-B. Experimental results show that this modal testing method is efficiency to identify operating mode of ultrasonic motor mentioned in this article and provides a convenience way for motor design and verification. Keywords: ultrasonic motor travelling wave mode testing laser Doppler vibrometer收稿日期： 基金项目：国家自然科学基金资助项目（50735002，90816003）作者简介：第一作者简介：王寅，男，博士，研究方向新型压电电机的研究。
超声电机定子振动分析的模态选择_周盛强
第17卷 第12期2009年12月 光学精密工程 Optics and P recisio n Engineering Vo l .17 No .12 Dec .2009 收稿日期:2009-01-08;修订日期:2009-03-06. 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No .50735002;N o .10604032)文章编号 1004-924X (2009)12-3009-07超声电机定子振动分析的模态选择周盛强,赵淳生(南京航空航天大学精密驱动研究所,江苏南京210016)摘要:结构的主动控制通常是通过对结构的少数几个主要模态的控制来实现的。
常用的假设模态法可以建立系统的低阶近似运动方程,但很难找到适用于整个系统的假设模态;有限元法的求解精度较高,但得到的动力学方程数目较大,影响系统后续计算分析的效率。
本文在超声电机定子振动模态有限元分析的基础上,引入模态选择方法,对结构模态截断,仅保留特定的模态来实现模型降阶。
以旋转型行波超声电机定子为例,用AP DL 实现了从有限元分析结果中自动识别工作模态,提取特定的模态参数和相应等效电路模型的电学参数,仿真计算了定子的机械和电学响应。
激光多普勒测振试验得到的定子工作模态频率与假设模态法计算值的相对误差为9.1%,与有限元法计算值的相对误差为0.3%;动力响应的试验值与模态选择法计算值的相对误差为3%。
实验结果表明,本文采取的模态参数提取方法是有效的,相比假设模态法能更精确地反映实际自由定子的运动状况。
关 键 词:超声电机;定子;振动分析;假设模态法;有限元法;模态截断法中图分类号:T M 35;T B559 文献标识码:AModal truncation to vibration analysis of stator in ultrasonic motorZHO U Sheng -qiang ,ZHAO Chun -sheng(P recision D riving Laboratory ,Nanj ing University o f Aeronautics and Astronautics ,Nanj ing 210016,China )Abstract :The active controls of structures are alw ay s realized by controlling a few major mode s .The assum ed modal metho d can be used to establish a low -o rder mo tio n equation to reduce mo des ,but it is difficult to find a suitable assumed m ode for the entire sy stem .M oreover ,although the solutio n preci -sion of the finite element method is higher ,the g reate r number of freedo m deg rees can affect the sub -sequent computation efficiency .Based o n the finite elem ent analy sis on the vibration m ode o f the sta -tor in an ultraso nic mo to r ,this paper presents a modal truncatio n method to reduce the dimension o f the finite element mo del and to reserve the special mode s .By taking a stato r in the trav elling rotory ultrasonic mo to r T RUM as an ex am ple ,the ANSYS Parametric Desig n Lang uage (APDL )is used to reco gnize the wo rking mo de auto matically ,to ex tract the electrical paramete rs o f equiv alent circuit m odel and to calculate the mechanical and electrical respo nses sim ulatively .The dynamic properties o f the structure are simulated and tested with a laser Doppler vibrometer .Com paring w ith ex periment results of the w orking mo de frequency ,the relative error is 9.1%to the assumed modal method ,and 0.3%to the finite element me thod .Fo r the stable respo nse ,the relativ e erro r betw een the observa -tion and the calculatio n of the m odal truncation metho d is3%.It is sho w n that the acquisitio n method of m odal parameters is effective and the modal parameters reflect the actual m otion state of the free stator mo re precisely than that o f the assumed modal method.Key words:ultrasonic mo tor;stato r;vibration analy sis;assumed modal metho d;finite element meth-o d;modal truncation m ethod1 引 言 在结构动态分析中,动力学模型建立的正确与否直接关系到分析结果是否可靠,而连续系统的精确解仅限于简单的构件形状和边界条件。
旋转型行波超声电机网络的性能测试和仿真
旋转型行波超声电机网络的性能测试和仿真范培英;邱洋【摘要】@@%行波超声电机是新型电机,利用能量转换摩擦传递超声波振动,产生动力,其结构简单、性能优越和发展迅速.旋转型适合在医疗、航空航天等精密领域中使用.本文介绍了超声电机的工作原理和分类等,着重分析了不同温度下对电机工作频率、机械特性和摩擦材料等的变化情况.旋转型行波超声电机的性能随温度的升高呈下降趋势.【期刊名称】《制造业自动化》【年(卷),期】2012(034)015【总页数】3页(P79-81)【关键词】超声电机;旋转型;共振频率;机械特性【作者】范培英;邱洋【作者单位】上海建桥学院信息化办公室,上海201319;上海电子信息职业技术学院计算机应用系,上海201411【正文语种】中文【中图分类】TN230 引言超声电机技术是综合了振动学、摩擦学、电力电子、自动控制和新材料等众多学科的新技术。
超声电机由于其优越的性能，而受到广泛的关注。
超声电机是将电能转换成机械能，利用压电陶瓷的逆压电效应获取运动和力矩，将材料通过机械共振和摩擦转换成转子的运动。
超声电机具有结构简单、噪声小、不受磁场干扰、效率高和控制性能好等特点，发展非常迅速，前景十分广阔,未来会用在医疗系统和安全系统甚至一些特殊领域。
行波超声电机由正交的两组驻波合成，其中定子质点做椭圆形的运动。
超声电机可以分为直线型和旋转型超声电机。
其结构式利用定子的行波波纹受到摩擦力而带动转子旋转，通过改变输入电压进而使行波的传播方向发生变化。
定子的频率和定子转子的摩擦力会因为温度而有所变化，导致超声电机的许多性能也随之受到影响。
本文通过温度的测试实验系统对超声电机共振频率、机械特性等随温度的反应的变化。
1 超声电机原理超声电机也被称为超声波电机，可以分成直线型和旋转型电机。
旋转型行波超声电机的结构如图1所示，其工作原理是在压电陶瓷上施加相同频率等幅、相位相差90°的交变电压，通过逆压电效应定子激发出两相驻波，驻波叠加形成沿一定方向传播的行波。
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振 动 、 试 与 诊 断 测
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ａ ｉｎ， ａ ｕ ｅ ｎ ｏ ｒ ａ ｆＶｉｒ ｔ ｏ Ｍｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ＆ Ｄｉｇ ｏ ｉ ａ ｎ ｓｓ
ＶｏＩ ３１ ＮＯ．５ ＿ ０ｃ ． ２ ｔ ０１１
一
种 面 内行 波旋 转超 声 电机 的模 态试 验 方法
计提 供 了参 考 。
关键 词 超声 电机
中图 分 类 号
面 内行 波
模 态试 验
激 光 多普 勒 测 振
ＴＭ ３ ５
定 子 的有 限元 模态 分 析 的基础 上 ， 合激 光扫 描 多 结
引 言
超声 电机 ［ 有低 速 大扭 矩 、 重 比大 、 １具 咭 功 响应 快 、 噪音 、 电磁 干扰 和位 置控 制 精度 高 等特点 ， 低 元 在 工业控制 、 精密仪 器仪表 、 航空航 天 以及 智能机 器 人 等领域有 着广泛 的应用前 景 。超 声 电机依靠压 电 陶瓷的逆压 电效应 激发定 子在超声 域 的共 振来实现 驱动。 因此 ， 定子 的固有模态 对整 个超声 电机 的性 能
态超 声 电 机定 子 的模 态 试 验 方 法 。 首先 ． 分析 了该 面 内行 波 旋 转 超 声 电机 的工 作 原 理 ； 后 ， 于 有 限 元 分 析 软 件 然 基 建立 了 电机 的有 限 元 模 型 ， 析 了 其 工 作 模 态 的 特 点 ； 后 ， 合 Ｐ Ｖ一０ 一 分 最 结 Ｓ ３ ０Ｂ型 激 光 扫 描 多 普 勒 测 振 仪 的测 量 原 理 ， 出 了通 过 测 量 圆 环 轴 向振 型 识 别 该类 型 超 声 电机 工 作模 态 的测 试 方 法 。 验 结果 表 明 ， 提 试 该方 法 能 够 有 效 地 检 测 出该 面 内行 波旋 转 超 声 电 机 的 工 作模 态 ， 利 用 圆 环 面 内 弯 振 模 态 的 一 类 超 声 电 机 的 模 态 试 验 和 进 一 步 优 化设 为
实 施 起 来 较 为 困难 。 本 文 介 绍 了利 用 一 个 纵 弯 压 电振 子 激 发 圆 环 面
图 ２为 圆环 的 两个 空 间正 交 的 面 内驻 波模 态 ，
沿周 向有３个 峰３ 谷 。 义 圆环上 由只有径 向振 动 个 定 的质 点 组成 的 面为 中性 面 ， 加 上 振动 的 时间 维并 若
压 电换 能器 ， 子 的支 撑位于 杆状换 能器上 ， 定 转子 由 两个 锥形 回转体 通过 弹簧压 紧在定子 圆环上 。面 内 行 波旋 转超 声 电机 运行 时 ， 杆状 换 能器 激 发 圆环 的
工 作模 态能 够与 预先 计算 的一致 ， 且在 一定 的激 并 励 电压下能 够获得 较大 的响应 。 此外 ， 为检验 定子设 计 的准确性 、 检查制 造和装 配质量 ， 需要对 超声 电机
内行 波 的旋转 超声 电机 的原 理ｎ １ ， １ 在该 超 声 电机 ］
若 圆环 上 同时存 在这两 种驻 波振 动 ， 即将 式 （ ） １
－
国 家 自然 科 学 基 金 资 助 项 目（ 号 ： ０ ３ ０ ２ ９ ８ ６ ０ ） 编 ５ ７ ５ ０ 。０ １ ０３ 收 稿 日期 ： ０ ０ ｌ — ５ 修 改 稿 收 到 日期 ： ０ ０ １ — ２ ２ １ 一 ｌＯ ； ２ １ ２ ２
至关 重要 。设计者 总是希望 实际制 造 出来 的定子 的
普勒测 振仪 的测量原 理提 出了一 种该类 超声 电机的
模 态试 验方法 。
１ 原 理
１ １ 电 机 结 构 ．
本 文的面 内行波旋 转超声 电机 由定子 和转子组
成 ， 图１所示 。 中定 子为一 圆环连 接着 一个杆状 如 其
的定 子进行模 态试验 。 行波旋 转型超 声电机分 为面 内行波旋转 超声 电 机 和面外行 波旋转 超声 电机 。利用 面外模态 的行波 旋 转超声 电机定 子为 板状 ， 振 动 的振型 分布 于一 其
面内弯 曲模 态 ， 在圆环 内壁产 生行波 ， 而通 过摩擦 从
推 动压在 圆环 内壁边界 上 的转 子转 动 ， 出机械能 。 输
Ｉ ２ 运 行 机 理 ．
个平 面 区域 ， 工作 模 态 可 以通 过 激光 扫 描 多普 勒 其 测振 仪测量 ［ 。对 于外廓 为 圆柱 的面 内行波 旋转超 ９ ］
声 电机 ， 光扫 描 多普 勒测 振 仪无 法直 接 测量 出面 激 内模 态 。 目前对 该类 电机 的模 态试验 ， 只能通 过对定 子局 部平 面 的测量 来进 行 ， 这就 不 能从 整 体上直 接 识别 出定 子 的工作 模 态 ， 得该 类 电机 的模 态试 验 使
且这 两个正 交 的模 态在 时间上 相差７ ２ 则 它们 的中 ／， 性 面 的振 动驻 波可分 别表示为 ［］ 】
７ — Ａｓｎ（ ０ ｓｎ ｔ＋ Ｂ ｌ ｉ ３ ） ｉｗ （） １
７ ２一 Ａｓｎ（ ０＋ ７ ２ ｃ ｓ ＋ Ｂ ｉ ３ ｃ ）ｏ ／
（） ２
其 中 ： 为振 幅 ； Ｂ为 中性面 的半径 。
第 ５期
王 寅 ， ：一种面 内行波旋转超声电机的模态试验方法 等
５７ ９
震 露 ．
（）驯 莫 ａ 态
（）Ｌ 态 ｂ 模
图 ３ 杆 状 换 能 器 激 励 的 圆 环 正 交 模 态
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
图 ｌ 面 内行 波 旋 转超 声 电 机 的结 构
振 ， 中箭头表 示压 电 陶瓷片 的极化 方 向 。 图 当按 图示
王 寅 ， 金 家楣 ， 黄 卫 清
（ 京 航空 航 天 大 学精 密 驱动 研 究 所 南 南 京 ，１０ ６ ２０１）
摘要
为 检 验 一种 面 内行 波 旋 转 超 声 电 机定 子 结 构 动 力学 设 计 的优 化设 计方 法 ， 讨 了 一 类 利 用 圆 环 面 内 弯 振 模 探