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Dynamics of Ultrasonic Motors

Sattel, Thomas :
Dynamics of Ultrasonic Motors.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2003)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Dynamics of Ultrasonic Motors
Language: English
Abstract:

This thesis is treating theory, modeling, model analysis and experiments of traveling wave type ultrasonic motors. A framework to derive models for ultrasonic motors is given here, which is based on the continuum theory of electromechanical solids. This includes the modeling of the stator-rotor contact and the electromechanical behavior of piezoceramic stators. The principle of virtual power is stated for electromechanical systems, where the terms of virtual power due to normal and tangential contact stresses are expressed explicitly. Using this principle and a symbolic equation manipulation tool, a planar motor model based on BERNOULLI-EULER kinematics is derived. Subsequently, a scaling analysis is carried out. Then, a model analysis scheme is given, based on the derived motor model at steady-state. Contact boundary and transition conditions, continuity equations at the contact boundaries and contact search equations are stated. After that, a spatial discretization is carried out, using a GALERKIN discretization method with both, global and local Ansatz-functions. Compared to Finite-Element-Methods this reduces the number of degrees of freedom drastically, thus saving computer time. For the resulting algebraic equations, a contact algorithm is given. Using the computer code developed from this, numerical analyses are carried out. Particular resonance curves and speed-torque characteristics are computed and discussed. In the experimental part, the focus is on the resonance, the temperature and the steady-state motor operation behavior of a typical ultrasonic motor. Resonance curves of the electric admittances of stator and motor were measured and discussed as well as those of the velocity of surface points of both, stator and rotor. The resonance curves show a non-linear softening behavior. For sufficiently high stator vibration amplitudes this goes along with a jump phenomenon. It is found that material non-linearities in the piezoceramics may be the reason for this effect. Furthermore, the influence of the temperature rise due to the frictional contact mechanism is investigated. Speed-torque characteristics were measured and their dependence on various external parameters is investigated. At the same time, the time histories of different motor quantities like rotational speed, motor torque, electric current or velocity of surface points were recorded. Different effects in the motor behavior were observed, among them overhang speed-torque characteristics and hysteretic behavior. Finally, resistive and reactive power components as well as efficiencies along the speed-torque characteristics were computed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die vorliegende Dissertation befaßt sich mit der Theorie, der Modellierung, der Modellanalyse sowie experimentellen Untersuchungen von Ultraschallmotoren, die auf dem Prinzip der Anregung von Wanderwellen basieren. Es werden die grundlegenden Gleichungen und Annahmen zur Herleitung von Motormodellen anhand der Kontinuumstheorie von elektromechanischen Festkörpern entwickelt. Dies umfaßt sowohl die Modellierung des Stator-Rotor-Kontaktes, als auch die Beschreibung des elektromechanischen Verhaltens von Statoren. Das Prinzip der virtuellen Leistung wird für elektromechanische Systeme angegeben, wobei die virtuellen Leistungen infolge der Normal- und Tangentialkontaktkräfte explizit in der Formulierung berücksichtigt sind. Auf der Grundlage dieses Prinzips wird mit Hilfe eines symbolischen Formelmanipulationsprogramms ein Motormodell auf der Basis der EULER-BERNOULLI-Kinematik hergeleitet und eine Skalierungsanalyse durchgeführt. Basierend auf dem zuvor hergeleiteten Modell wird die Vorgehensweise zur Modellanalyse von Motormodellen beschrieben. Dazu gehört u.a. die Herleitung von Gleichungen zur Erkennung von Änderungen in den Kontaktzuständen. Zur räumlichen Diskretisierung der Bewegungsgleichungen wird ein hybrides GALERKIN-Verfahren formuliert, bei dem sowohl globale als auch spezielle lokale Ansatzfunktionen zum Einsatz kommen. Dies führt im Vergleich zur Diskretisierung mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode zu einer drastischen Verringerung der Anzahl der Freiheitsgrade. Es wird ein Kontaktalgorithmus sowie ein Berechnungsprogramm zur numerischen Untersuchung stationärer Motorzustände entwickelt. Dies ermöglicht die Berechnung von Resonanzkurven und Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien für spezielle Motorzustände, die anschließend diskutiert werden. Im experimentellen Teil der Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Untersuchung des Resonanz-, Temperatur- und Betriebsverhaltens im stationären Betrieb. Für die Untersuchungen wird ein typischer Rotations-Ultraschallmotor beispielhaft verwendet. Die Resonanzkurven der elektrischen Admittanz sowie der Geschwindigkeit von Stator- und Rotoroberflächenpunkten werden gemessen und diskutiert. Sie zeigen ein nichtlineares Verhalten, das bei hinreichend großen Schwingungsamplituden im Stator zu einem Sprungphänomen führt. Wie weitere Untersuchungen zeigen, kann das Sprungphänomen auf materielle Nichtlinearitäten in den Piezokeramiken zurückgeführt werden. Des weiteren wird der Einfluß der Temperaturerhöhung infolge des reibschlüssigen Kontaktes zwischen Stator und Rotor auf verschiedene Motorcharakteristika untersucht. Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien werden gemessen und deren Abhängigkeit von verschiedenen Motorparametern aufgezeigt. Parallel dazu werden die Zeitverläufe verschiedener Systemzustände wie Drehzahl, Drehmoment, Geschwindigkeit von Oberflächenpunkten, elektrische Ströme etc. mit gemessen und aufgezeichnet. Verschiedene Effekte im Motorverhalten werden experimentell beobachtet und diskutiert, insbesondere das Überhängen von Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien und das Hystereseverhalten. Mit Hilfe der gemessenen Größen werden Wirkleistungen, Scheinleistungen und Wirkungsgrade entlang verschiedener Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien berechnet und diskutiert.German
Uncontrolled Keywords: traveling wave motor, piezo-electric actuator, piezo-electric oscillator, piezo-electric transducer, friction, tribology, contact, mechatronics, algorithm
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
traveling wave motor, piezo-electric actuator, piezo-electric oscillator, piezo-electric transducer, friction, tribology, contact, mechatronics, algorithmEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: FB 06 (Mechanik, 2006 eingegliedert in FB Maschinenbau/Strukturdynamik)
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:48
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000305
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-3057
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hagedorn, Prof. Dr. Peter and Wallaschek, Prof. Dr.- Jörg
Advisors: Hagedorn, Prof. Dr. Peter
Refereed: 16 July 2002
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/305
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