应用案例

　　实验名称：大力矩径向驻波型超声波电机有限元分析与实验研究

　　研究方向：超声电机

　　测试目的：

　　提出了一种大力矩径向驻波型超声波电机，在实现电机大力矩输出的同时保持结构紧凑的特点。首先设计并分析了电机的结构和工作原理，采用有限元法分析了电机定子的振动特性。接着制作了超声波电机样机，样机直径为32mm。采用激光测振仪测量了定子的共振频率及径向振动的振幅，测量结果与理论分析结果相吻合。最后，搭建了电机输出特性测试平台，测量了电机在不同电压下的转矩-转速特性。实验测试结果显示，定子工作模态的共振频率为73．3kHz，当施加的电压幅值为100V、频率为74kHz时，电机的空载转速为45r/min，堵转力矩达到0．41N·m。与其他同尺寸的超声波电机相比，所提出的径向驻波型超声波电机具有更大的堵转力矩。

　　超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应，将高频交流电转换为金属弹性体的超声振动，然后通过摩擦传动将超声振动转化为转子或动子的旋转或直线运动。与传统电磁电机相比，超声波电机具有结构简单、断电自锁、动态响应快、控制精度高、电磁兼容性好等优点。作为控制系统的执行元件，超声波电机在航空航天、机器人、医疗器械等领域具有广阔的应用前景。然而，超声波电机输出力矩有限，在一定程度上限制了它的应用。若能使超声波电机输出力矩得到改善，则有利于促进其在低速大转矩场合的进一步推广应用。

图：径向驻波型超声波电机样机

　　测试设备：ATA-4052高压功率放大器、磁滞制动器、直流电源、信号发生器等。

　　实验过程：

图：径向振动测试实验平台

　　为验证样机的输出性能，搭建了电机的输出特性测试平台，如上图所示。考虑电机低速大转矩特性，采用磁滞制动器作为负载，并由直流电源给负载供电，通过调整直流电压的大小来调整负载大小。电机的转矩和转速由转矩转速传感器测量获得。磁滞制动器的转轴通过弹性联轴器连接到转矩转速传感器的转轴的一端，电机的转轴通过弹性联轴器连接到转矩转速传感器的转轴的另一端。采用信号发生器产生高频正弦信号并经过ATA-4052高压功率放大器放大后提供给电机作为驱动电源。

　　实验结果：

　　本文提出了一种大力矩径向驻波型超声波电机，设计了电机的结构，分析了工作原理，采用有限元法研究了电机定子的振动特性，并制作了电机样机，搭建了实验平台，测量了电机的振动特性和输出特性。所制作的样机直径32mm，采用定子一阶径向伸缩振动作为工作模态，共振频率为73．3kHz。当施加幅值为100V、频率为74kHz的正弦交流电时，电机的空载转速和堵转力矩分别为45r/min和0．41N·m。与其他超声波电机相比，所提出的径向驻波型超声波电机能够在保持结构紧凑小巧的同时实现大力矩输出。弹性叶片的结构尺寸和安装倾斜角对电机性能有较大影响，因此后续研究中，需要建立电机定转子的接触模型，以定量分析弹性叶片的结构尺寸和布置方式对电机性能的影响，从而进一步优化电机性能。此外，本文所提出的电机为单向旋转的超声波电机，如能对该电机结构进一步改进和优化，可实现双向旋转的超声波电机，比如采用两个定子并联驱动的方式，给其中一个定子通电，驱动转轴向一个方向旋转，给另一个定子通电，驱动转轴反向旋转。该双向旋转电机的设计和优化也是本文后续研究工作之一。

　　安泰ATA-4052高压功率放大器：

图：ATA-4052高压功率放大器指标参数

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