论文总字数：27964字

摘 要

超声波电机（Ultrasonic motor，简称USM）是上过世纪中后叶才出现的一种新型的电机，从属于小型和微型电机行列。USM的驱动得到能量的方式是利用逆压变效应和超声波的弹性振动。USM的工作原理颠覆了传统经典电机的工作原理，并由此引起国内外专家的高度重视和研究。

本文将使用推挽式变压器与超声波电机相连接，利用推挽式变压器的模型，通过改变推挽式变压器的模型参数，将得到的变压器次级绕组上的输出电流和电压的波形进行对比，并结合变压器漏感值的大小来获取匹配电路的最佳参数。最后将进行变压器实物的制造，实验中的最佳数据将作为该实物的依据，从而达到试验并验证结论的目的。

推挽式变压器的输出电压和电流各有优点。在电流上，它的输出电流能在很快的时间内做出响应；在电压上，它可以使得输出的电压具有好的波形。而使得推挽式变压器具有以上优点的原因就在于它一般的变压器结构不同。一般的变压器只有一个控制开关的电源，而推挽式变压器有两个。这两个控制开关的工作方式是一个工作的同时，另一个关闭，一段时间后，工作的电源关闭，而开始时关闭的电源接替第一个电源继续工作。而这种工作方式的优点就在于它将为变压器接连不断的提供输出功率。基于以上特点，当变压器遇到输入电压很低的时候，依然可以将输出功率维持在一个很大的状态下，这也是推挽式变压器为什么会被广泛地利用在低输入电压的逆变电路当中，这也是本文选择推挽式变压器的原因。

本文的模型仿真将在Ansoft Maxwell软件中进行，利用其瞬态仿真和涡流场计算的功能，得出最后的输出波形和漏感数值。在进行仿真时将利用控制变量的方法，将三个实验变量：变压器绕组气隙，变压器磁芯气隙，变压器绕组匝数依次改变进行试验，并将所得的数值和波形图导出，利用Matlab软件进行绘图，得出数据的变化趋势和波形的输出情况，最终进行数据对比，进而得出最佳的一组参数，也就是实验的最终目标——最佳的匹配参数。

关键词：超声波电机，推挽式变压器，漏感数值，输出电压电流波

Abstract

Ultrasonic motor, as a new type of special motor that appeared in the 1980s, uses the inverse piezoelectric effect and ultrasonic vibration to obtain the driving force. Its working principle subverts the working principle of the traditional classical motor and causes this. Domestic and foreign experts attach great importance and study.

This paper will use the pulse transformer and the ultrasonic motor to connect, use the pulse transformer model, start from it to study and analyze the parameters. The low-pass filter model of the motor is used to obtain the best matching parameters of the transformer and the motor, and the obtained parameters are used as the basis for manufacturing the transformer model. Experiments and verification conclusions are obtained.

The push-pull transformer has two control switches in the switching power supply. The two control switches K1 and K2 work in alternation alternately. After the action of the push-pull transformer, the output voltage waveform has very symmetrical characteristics and the entire During the working cycle, the switching power supply is continuously supplying power to the load. Therefore, the instantaneous response speed of the output current of the push-pull transformer is very high, and the output voltage also has good characteristics. In comparison of the voltage utilization ratio of all switching power supplies, the switching power supply utilization of the push-pull transformer is the highest. Based on the above characteristics, when the transformer encounters a very low input voltage, the output power can still be maintained at a very large state, which is why the push-pull transformer is widely used in inverter circuits with low input voltage. This is why this article chooses a push-pull transformer.

KEY WORDS: Ultrasonic motor, push-pull transformer, matching circuit, leakage inductance value, output voltage and current waveform

目录

摘要 1

Abstract 1

第一章 绪论 1

1.1 选题背景 1

1.2 超声波电机概述 1

1.2.1 逆压电原理 1

1.2.2 行波型超声波电机的结构 3

1.3 国内外研究的现状 3

1.3.1 国外的超声波研究 3

1.3.2 国内研究现状 4

1.4 本论文的研究内容 4

第二章 变压器基本原理及漏感磁场介绍 6

2.1 推挽变压器工作原理 6

2.1.1 推挽式变压器的工作过程 6

2.2 漏感及漏磁场介绍 7

2.2.1 变压器漏磁产生的原因 8

2.2.2 漏磁场的危害 8

第三章 超声波电机等效模型及驱动介绍 10

3.1 超声波电机的电路等效模型 10

3.2 超声波电机的驱动控制原理 10

3.3 超声波电机控制系统的功能 12

第四章 推挽式变压器二维有限元分析 14

4.1 Ansoft Maxwell简单介绍 14

4.2 Ansoft Maxwell 瞬态分析和涡流场计算 15

4.2.1 电磁场仿真的理论基础 15

4.2.2 麦克斯韦微分方程 15

4.2.3 边界条件 15

4.3 Ansoft Maxwell仿真的基本方法 16

4.4 Ansoft Maxwell模型分析的基本步骤 17

第五章 推挽式变压器的有限元模型 18

5.1 推挽式变压器的结构参数和材料参数 18

5.2 建模的条件和约束 19

5.2.1 建模条件 19

5.2.2 建模约束 19

5.3 建模的具体过程 19

5.3.1 瞬态模拟仿真 19

5.3.2 涡流场模拟仿真 21

5.4 变压器三大变量对输出波形及漏感的影响 22

5.4.1 匝数改变对输出波形及漏感的影响 22

5.4.2 磁芯气隙改变对输出波形及漏感的影响 25

5.4.3 绕组气隙改变对输出波形及漏感的影响 27

第六章 总结与展望 30

6.1 实验内容总结 30

6.2 实验内容展望 30

致谢 31

参考文献 32

第一章 绪论

• 1. 选题背景

超声波电机的性能的设计是否能实现关键在于其驱动电路^[1]，但由于超声波电机工作频域的特殊性以及它的负载带有容性特征^[2]，这便要求我们要为其专门配置驱动电源^[3]。为了能有效的将能量在专门配置的驱动电源和超声波电机之间传递，将一个匹配的电路加入超声波电机和驱动电源之间将是必要的^[4]。它的目的是能够更加高效有利的将能量从驱动电源处传递到USM上，且使得USM可以做到低通滤波的功能。从而减少电机的高频谐波分量，避免失真现象的出现^[5]，最终使得驱动电源的输出电压电流波形较好，USM的负载上电压波形可以达到正弦或者余弦。

• 1. 超声波电机概述

USM和一般传统的电磁电机不同，它没有传统电机上的初级次级绕组和发电磁极，也不是将电磁效应产生的电能转换成能够带动物体运动的动能^[6]。USM的工作方式是利用一些特殊的能够产生逆压电效应的晶体，将它们在逆压电效应发生震荡产生的能量转换成能够带动物体运动的动能。本文介绍的则为行波型超声波电机。

逆压电原理

我们在初中的学习中知道，带电的粒子在电场中会受到电场力的作用，而晶体中的这些正负带电粒子便会在这些电场力的作用下发生发生相互运动从而产生极化现象。而有一些比较特殊的晶体材料，这些材料不需要电场力作用，只需对其施加机械力就能使得晶体中的正负带电粒子发生运动，并移动到晶体表面上。这些特殊的晶体的电荷密度随着施加的外机械力的增加而增加。我们将发生的这种现象称为压电效应。而逆压电效应^[7]则是需要在电场的作用下，晶体内的带电粒子在力的作用下产生运动，但是这种情况下的带电粒子的运动会使得晶体的外形发生改变，我们将这种情况称之为逆压电效应。下图中1-1为压电效果图，图1-2为逆压电效果图。

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