工频压电式电机的驱动机理与实验研究

This research proposes piezoelectric motor driven by power frequency (50 Hz) vibration. This is a special motor which using vibration to drive the rotor just likes the ultrasonic motor which has been successful development and application, but the vibration frequency is difference from ultrasonic motor. It can be driven by normal power supply (power frequency is 50Hz), and no other special high frequency power supply need. So it is a new type of piezoelectric motor system which has much simple system structure. This has never been reported at home or abroad. First of all, the research is about set up the basic theory and method for the driver ability of the new piezoelectric motor. Based on modeling and simulation analysis, the theoretical model about the energy exchange process of this power frequency piezoelectric motor can be revealed, and find out the influence of mechanics, structure and electrical on driving performance. Second, the research is about the structure and travel method of those two types of motors: the standing wave motor and the travelling wave motor. The performance and response characteristics can be confirmed by experiments, and find out the influence of structure, dimension on the output torque, velocity and transducing efficiency about this new motor. At last, this research is about designing and manufacturing prototype for three kinds of solutions; completes at least 2 sets of power frequency piezoelectric motors; provides the structure design method and key technical parameters, and finishes the performance test and function analysis of the prototype.

提出一种以工频（50Hz）频率振动进行驱动的工频压电式电机（马达），这是一种特种电机，它与现已成功开发并应用的超声波马达一样，都是利用振动驱动转子工作，但是所使用的振动频率不同，是一种可以在常用电源（工频50Hz）下工作，无需另配专用高频电源进行驱动，因而是一种系统结构更为简单的新型压电式电机系统，目前国内外尚未见有相同报道。首先，研究建立这种新型压电式电机驱动能力的形成基本理论与方法，通过理论模型模拟与仿真分析，揭示工频压电式电机驱动换能过程的本质机理，获得力学、结构及电学因素对驱动性能的影响规律。其次，研究驻波与行波两类电机构造与行程方法，通过实验研究确认工作性能及响应特性，获得结构、尺寸等因素对工频压电式电机输出力矩、输出速度和换能效率等的影响规律。最后，进行三种方案样机的设计制造，形成工频压电式电机样机至少2套，提供结构设计方法与制造关键技术参数，并完成样机的性能检测与功能分析。

本项目研究一种以工频（50Hz或60Hz）频率振动进行驱动的工频压电式电机（马达），这是一种特种微型电机系统，它与现已成功开发并广泛应用的超声波马达一样，都是利用压电振动驱动转子工作的，但是所使用的振动频率不同，是一种可以在常用电源（工频50Hz电源）下工作，无需另配专用的高频驱动电源进行驱动，因而是一种系统结构更为简单的新型压电式电机系统。根据项目研究计划，制作了几种压电驱动式电机的样机，分析了各种样机的工作机理，完成了结构设计。在项目研究期间，完成了工频压电驱动式电机的结构设计、动力学建模、仿真与分析，试制了多种样机并进行了一系列测试试验。设计制成的样机满足在共振条件下进行驱动，共振稳定可靠、抗干扰能力强等要求。具体完成了以下三方面工作：一是综合考虑工频压电式电机系统构件的形状、尺寸、空间位置及其交互关系与耦合影响，通过理论模型的模拟与仿真分析，揭示低频驱动换能过程的本质机理，获得力学、结构及电学因素对驱动性能的影响规律；二是对压电式微电机（马达）输出力矩、输出速度、换能效率等性能的影响规律，取得最优结构、技术参数和控制方法；三是设计并制作了三种型号的样机，分别进行实际制作与性能测试，均已达到项目目标要求。本项目所进行的工频压电电机驱动机理技术研究尚有一定的局限性，还存在一些需要继续研究和探索的问题：一是系统高频振动时系统内部动力部件的发热及外部环境温度的变化等等，将改变系统原有的固有状态，致使共振状态减弱甚至完全消失；二是为了获得电压幅度、频率、相位、波形等对压电电机系统共振状态的影响关系，应测试系统在环境温度、系统结构等外部条件变化下共振频率漂移的情况，提出频率跟踪、反馈、补偿的自动控制系统设计方案，在综合理论与试验结果基础上，优化控制参数，制定控制策略，编制控制软件，制作实际电路进行深入试验研究。