驻波直线超声电机是最具代表性的直线超声电机,它在航天、医疗、精密仪器仪表、机器人等领域中显示了广阔的应用前景,得到了越来越广泛的关注。目前的驻波直线电机虽然外形多种多样,但其最基本的工作原理仍较单一,且在电机的整机建模上一直进展缓慢,不利于其研究的进一步发展。本文提出了一种新原理的驻波直线超声电机的设计方案,设计加工了样机,并建立了该电机的整机动力学模型和整机热力学模型。本文主要的研究内容和成果综述如下:1.简要地介绍了直线超声电机的发展历史,并重点介绍了驻波直线超声电机结构设计和理论建模的研究现状。针对驻波直线超声电机研究的不足之处,明确了本课题的研究目标。2.提出了双振子驻波直线超声电机的设计方法。该方法的主要创新在于:将传统驻波直线超声电机定子的复杂耦合模态振动解耦成两个简单的独立模态振动,并分别交由一个单模态振子来实现。由于两振子是独立设计的,因此可对它们的结构分别进行调整,使电机两项模态频率一致。因此,该设计方法可简化直线超声电机的设计。根据该方法,设计加工了一个基于杆结构的双振子型驻波直线超声电机。在100Vp的电压激励下,样机最大推力、速度、功率分别达到了47N,0.43m/s和7.85W。3.探讨了两振子的固有频率差对电机输出性能的影响规律。在此基础上,通过优化电机结构,控制该电机两振子在自由边界条件下的固有频率,电机的输出性能得到了改善。实验结果表明:对该样机而言,当自由边界条件下定子的二阶纵振固有频率高于动子一阶纵振固有频率73 Hz时,样机最大推力、速度和功率分别达到了64.2 N,0.76 m/s和17.4 W;最大推重比达到23.7,最大效率达到39.6%。4.建立了该双振子驻波直线超声电机的动力学模型。该动力学模型主要包括:定子与动子的接触模型、定子的振动模型、动子的振动模型和定子与动子间摩擦传动模型。利用该动力学模型可以得到定子和动子的模态特性、振动响应、以及电机直线运动的位移、速度与时间的关系等。在建模过程中,考虑了定子与动子接触的非线性因素。5.基于动力学模型,利用MATLAB编程,进行了振子模态特性、电机输出特性和电机瞬态特性的仿真,实验结果与仿真结果一致。在仿真的基础上,(1)提出一种电机结构设计算法,编写了程序并设计了人机交互界面,该程序快速准确,方便该型电机的结构设计;(2)提出一种提高电机输出性能和效率的方法,该方法通过实验得到了验证。6.分析总结了该电机运行中温度上升的原因,详细计算了导致电机温度上升的损耗。在计算的结果上,利用ANSYS对该电机进行了热力学仿真,得到了电机热稳态下的温度场分布,以及电机上任一点的温度—时间变化关系。该研究为进一步探讨超声电机热源优化问题提供了分析方法。