實驗名(ming)稱：大力矩徑向駐(zhu)波型超聲波電機有限元分析與實驗研究(jiu)

　　研(yan)究(jiu)方向：超聲電機

　　測試目的：

　　提出(chu)(chu)了一種大(da)力矩徑向駐波(bo)型超(chao)聲波(bo)電機(ji)(ji)，在實現電機(ji)(ji)大(da)力矩輸出(chu)(chu)的(de)同時保持結構緊湊的(de)特點。首先設計并分(fen)析了電機(ji)(ji)的(de)結構和(he)工作原理，采用有(you)限元法(fa)分(fen)析了電機(ji)(ji)定子的(de)振動特性。接著制作了超(chao)聲波(bo)電機(ji)(ji)樣機(ji)(ji)，樣機(ji)(ji)直徑為(wei)32mm。采用激光測振儀測量了定子的共振頻率及徑向振動的振幅，測量結果與理論分析結果相吻合。最后，搭建了電機輸出特性測試平臺，測量了電機在不同電壓下的轉矩-轉速特性。實驗測試結果顯示，定子工作模態的共振頻率為73．3kHz，當施加的電壓幅值為100V、頻率為74kHz時，電機的空載轉速為45r/min，堵轉力矩達到0．41N·m。與其他同尺寸的超聲波電機相比，所提出的徑向駐波型超聲波電機具有更大的堵轉力矩。

　　超聲(sheng)波電(dian)(dian)(dian)機(ji)利用(yong)壓(ya)電(dian)(dian)(dian)陶(tao)瓷的(de)逆壓(ya)電(dian)(dian)(dian)效應，將高(gao)頻交流電(dian)(dian)(dian)轉換為金屬彈性體的(de)超聲(sheng)振(zhen)動(dong)(dong)，然后(hou)通過摩擦傳動(dong)(dong)將超聲(sheng)振(zhen)動(dong)(dong)轉化(hua)為轉子或動(dong)(dong)子的(de)旋轉或直(zhi)線運(yun)動(dong)(dong)。與傳統電(dian)(dian)(dian)磁(ci)電(dian)(dian)(dian)機(ji)相比，超聲(sheng)波電(dian)(dian)(dian)機(ji)具有(you)結構簡(jian)單、斷電(dian)(dian)(dian)自鎖、動(dong)(dong)態響應快、控(kong)制精度(du)高(gao)、電(dian)(dian)(dian)磁(ci)兼容性好等優點。作為控(kong)制系統的(de)執行元件，超聲(sheng)波電(dian)(dian)(dian)機(ji)在(zai)航空航天、機(ji)器人、醫療(liao)器械等領域具有(you)廣闊的(de)應用(yong)前(qian)景(jing)。然而，超聲(sheng)波電(dian)(dian)(dian)機(ji)輸出(chu)力矩(ju)有(you)限(xian)，在(zai)一定程(cheng)度(du)上限(xian)制了它的(de)應用(yong)。若(ruo)能(neng)使超聲(sheng)波電(dian)(dian)(dian)機(ji)輸出(chu)力矩(ju)得(de)到改善，則有(you)利于(yu)促進其(qi)在(zai)低速大轉矩(ju)場合(he)的(de)進一步推廣應用(yong)。

圖(tu)：徑向駐波(bo)(bo)型超(chao)聲波(bo)(bo)電機(ji)(ji)樣機(ji)(ji)

　　測試設(she)備：ATA-4052高壓功率放大器(qi)、磁滯制動器、直流電源(yuan)、信號發(fa)生器等。

　　實驗過程：

圖：徑向(xiang)振動測試(shi)實驗平臺

　　為驗證樣機(ji)的輸(shu)出性能(neng)，搭建了(le)電(dian)機(ji)的輸(shu)出特(te)性測試平臺，如上圖所(suo)示。考(kao)慮電(dian)機(ji)低速(su)(su)大轉(zhuan)矩(ju)特(te)性，采用(yong)磁滯(zhi)制(zhi)動(dong)(dong)器(qi)作為負載，并(bing)由直流電(dian)源給負載供(gong)電(dian)，通(tong)過(guo)調(diao)整(zheng)直流電(dian)壓的大小來調(diao)整(zheng)負載大小。電(dian)機(ji)的轉(zhuan)矩(ju)和轉(zhuan)速(su)(su)由轉(zhuan)矩(ju)轉(zhuan)速(su)(su)傳(chuan)感器(qi)測量獲得。磁滯(zhi)制(zhi)動(dong)(dong)器(qi)的轉(zhuan)軸(zhou)(zhou)(zhou)通(tong)過(guo)彈性聯軸(zhou)(zhou)(zhou)器(qi)連(lian)接(jie)到(dao)(dao)轉(zhuan)矩(ju)轉(zhuan)速(su)(su)傳(chuan)感器(qi)的轉(zhuan)軸(zhou)(zhou)(zhou)的一(yi)端(duan)，電(dian)機(ji)的轉(zhuan)軸(zhou)(zhou)(zhou)通(tong)過(guo)彈性聯軸(zhou)(zhou)(zhou)器(qi)連(lian)接(jie)到(dao)(dao)轉(zhuan)矩(ju)轉(zhuan)速(su)(su)傳(chuan)感器(qi)的轉(zhuan)軸(zhou)(zhou)(zhou)的另一(yi)端(duan)。采用(yong)信號發生器(qi)產生高頻(pin)正弦(xian)信號并(bing)經過(guo)ATA-4052高壓功率放大器放大后提供給電機作為驅動電源。

　　實(shi)驗結果：

　　本文提出了(le)(le)一種(zhong)大力矩徑向駐(zhu)波(bo)型(xing)超聲波(bo)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)，設計了(le)(le)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的結(jie)構(gou)，分析(xi)了(le)(le)工作原理，采用有限(xian)元法研究了(le)(le)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)定子(zi)的振動特性(xing)(xing)，并制作了(le)(le)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)樣機(ji)(ji)，搭建(jian)了(le)(le)實驗(yan)平(ping)臺(tai)，測量了(le)(le)電(dian)(dian)(dian)機(ji)(ji)的振動特性(xing)(xing)和輸出特性(xing)(xing)。所制作的樣機(ji)(ji)直徑32mm，采用定子一階徑向伸縮振動作為工作模態，共振頻率為73．3kHz。當施加幅值為100V、頻率為74kHz的正弦交流電時，電機的空載轉速和堵轉力矩分別為45r/min和0．41N·m。與其他超聲波電機相比，所提出的徑向駐波型超聲波電機能夠在保持結構緊湊小巧的同時實現大力矩輸出。彈性葉片的結構尺寸和安裝傾斜角對電機性能有較大影響，因此后續研究中，需要建立電機定轉子的接觸模型，以定量分析彈性葉片的結構尺寸和布置方式對電機性能的影響，從而進一步優化電機性能。此外，本文所提出的電機為單向旋轉的超聲波電機，如能對該電機結構進一步改進和優化，可實現雙向旋轉的超聲波電機，比如采用兩個定子并聯驅動的方式，給其中一個定子通電，驅動轉軸向一個方向旋轉，給另一個定子通電，驅動轉軸反向旋轉。該雙向旋轉電機的設計和優化也是本文后續研究工作之一。

　　安泰ATA-4052高壓功率放大器：

圖：ATA-4052高壓功率放大器指標參數

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