實驗名稱：大力矩徑向駐波型超聲波電機有限元分析與實驗研究

研究方向：超聲電機

測試目的：

提出了一種大力矩徑向駐波型超聲波電機，在實現電機大力矩輸出的同時保持結構緊湊的特點。首先設計并分析了電機的結構和工作原理，采用有限元法分析了電機定子的振動特性。接著制作了超聲波電機樣機，樣機直徑為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。

超聲波電機利用壓電陶瓷的逆壓電效應，將高頻交流電轉換為金屬彈性體的超聲振動，然后通過摩擦傳動將超聲振動轉化為轉子或動子的旋轉或直線運動。與傳統電磁電機相比，超聲波電機具有結構簡單、斷電自鎖、動態響應快、控制精度高、電磁兼容性好等優點。作為控制系統的執行元件，超聲波電機在航空航天、機器人、醫療器械等領域具有廣闊的應用前景。然而，超聲波電機輸出力矩有限，在一定程度上限制了它的應用。若能使超聲波電機輸出力矩得到改善，則有利于促進其在低速大轉矩場合的進一步推廣應用。

圖：徑向駐波型超聲波電機樣機

測試設備：ATA-4052高壓功率放大器、磁滯制動器、直流電源、信號發生器等。

實驗過程：

圖：徑向振動測試實驗平臺

為驗證樣機的輸出性能，搭建了電機的輸出特性測試平臺，如上圖所示。考慮電機低速大轉矩特性，采用磁滯制動器作為負載，并由直流電源給負載供電，通過調整直流電壓的大小來調整負載大小。電機的轉矩和轉速由轉矩轉速傳感器測量獲得。磁滯制動器的轉軸通過彈性聯軸器連接到轉矩轉速傳感器的轉軸的一端，電機的轉軸通過彈性聯軸器連接到轉矩轉速傳感器的轉軸的另一端。采用信號發生器產生高頻正弦信號并經過ATA-4052高壓功率放大器放大后提供給電機作為驅動電源。

實驗結果：

本文提出了一種大力矩徑向駐波型超聲波電機，設計了電機的結構，分析了工作原理，采用有限元法研究了電機定子的振動特性，并制作了電機樣機，搭建了實驗平臺，測量了電機的振動特性和輸出特性。所制作的樣機直徑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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