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超声马达是一种利用压电陶瓷的逆压电效应激发超声振动,通过摩擦耦合驱动,将电能转化为机械能的新型直接驱动马达。与传统电机相比,它具有结构紧凑、低转速高转矩、响应快、不受电磁场干扰、断电自锁等优点,可以应用于航空、航天、汽车制造、生物、医学、化工、轻工、精密仪器仪表等诸多领域,己得到了国内外学者的广泛重视。本文的研究对象主要是行波型压电超声马达,围绕行波超声马达及超声马达用压电陶瓷材料开展研究工作,主要包括马达对压电材料的要求、马达用压电陶瓷的制备、超声马达的有限元仿真建模、超声马达的制作及性能表征等。 通过有限单元法、理论解析法及等效电路法探讨了超声马达对压电材料的性能要求。结果表明:提高压电系数,特别是d31,可以显著提高马达定子的表面质点位移,进而提高驱动效率;弹性柔顺系数的改变,对表面质点位移影响不大,但是可以有效的调节马达谐振频率;介电损耗会引起马达发热,影响马达输出速度。 根据超声马达对压电陶瓷材料的性能要求,提出了超声马达用大功率压电陶瓷的设计原则。对现有的软性陶瓷PSN-PZN-PZT进行硬性锰掺杂改性,实验结果表明,Mn掺杂量为0.5wt%时,材料具备最佳的综合机电性能,且其频率温度稳定性能也大为改善。 将改性的PSN-PZN-PZT应用于超声马达,利用ANSYS有限元分析软件,建立了马达定子的有限元模型,通过模态分析,获得马达的各阶振型及其固有频率,并确定该马达的最优模态。通过谐响应分析,在考虑压电陶瓷压电效应的基础上,对定子齿高、压电片厚度等结构参数进行了优化设计,为超声马达定子的优化设计提供了理论依据。 在优化设计的基础上,采用自制压电陶瓷来制备超声马达。研究了定子在谐振点附近的电容、阻抗、导纳的变化特性,为超声马达驱动电路的设计提供了实验依据。定子谐振频率的实测结果与有限元分析结果非常吻合。制作的超声马达样机可达到如下性能:输出转矩0.80Nm;输出空载转速≥100rpm:输出的位置精度30′;电机效率≥27%。