行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機產(chǎn)業(yè)化中的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、本課題是國家自然基金和廣東聯(lián)合基金項目“精密電子制造裝備關(guān)鍵理論與技術(shù)研究”（No. U0934004）的子課題之一，研究對象是行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機在產(chǎn)業(yè)化進程中的若干關(guān)鍵技術(shù)。
　　行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機是最具代表性的一類超聲電機，在外部形狀和輸出方式等方面與傳統(tǒng)電磁電機比較接近，而直接驅(qū)動的運行機理又使其具備了許多優(yōu)良特性，是目前超聲電機應用最廣泛的一種，因而也是產(chǎn)業(yè)化前景最好的一類產(chǎn)品。超聲電機作為多個學科交叉融合的高新技術(shù)產(chǎn)品，

2、其發(fā)展歷史相對較短，在產(chǎn)業(yè)化進程中還遇到許多問題。本文以研制高輸出性能、低制造成本的超聲電機為最終目標，深入研究了行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機在產(chǎn)業(yè)化進程中的若干關(guān)鍵技術(shù)，主要研究內(nèi)容及其成果概括如下：
　?。?）分析了行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機的運行機理，指出了超聲電機在產(chǎn)業(yè)化進程中需要研究定子、驅(qū)動界面以及輸出轉(zhuǎn)矩的提高等方面的問題。
　?。?）針對超聲電機定子的機電耦合關(guān)系，應用有限元方法分析了定子的激勵效果。通過行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機兩種

3、典型定子的分析比較，總結(jié)了齒槽斜角對定子振動特性的影響。為解決定子批量制造中的兩相工作頻率一致性問題，分析了影響定子工作頻率的動力學參數(shù)，提出了齒面徑向倒角的調(diào)節(jié)頻率方法。
　　（3）為實現(xiàn)超聲電機定子的批量生產(chǎn)，提出用先進電子制造中的回流焊方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠粘高溫固化方法。根據(jù)定子一體化聯(lián)接的實際要求，首次設計和搭建了超聲電機定子的回流焊試驗系統(tǒng)，完成了定子彈性體/壓電陶瓷片的快速聯(lián)接。試驗研究了回流焊多個因素對焊接定子性能的影響

4、，理論分析了直接關(guān)系到定子振動特性的聯(lián)接層參數(shù)，還進一步研究了在六種焊料下焊接界面的力學性能與焊接后定子的振動特性，指出了影響焊接定子性能的主要因素之一是焊料材料。
　?。?）根據(jù)超聲電機工作時定子微幅/高頻振動的特點，理論分析了超聲電機驅(qū)動界面輸出性能的影響因素，建立了基于表面形貌的等效剛度模型，總結(jié)了表面形貌參數(shù)對電機輸出性能的影響，歸納了減小驅(qū)動界面粘著區(qū)從而增加輸出性能的主要途徑，首次發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子腹板剛度系數(shù)對驅(qū)動界面壓力的

5、影響。試驗研究了交聯(lián)超高分子量聚乙烯復合材料的改性制備對力學參數(shù)的影響。從表面形貌的等效剛度模型、摩擦材料層的剪切變形、轉(zhuǎn)子剛度的組合匹配等理論方面進行了分析，探討了驅(qū)動界面采用這種新型摩擦材料能夠提高超聲電機輸出性能。
　?。?）針對行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機組合方式目前所存在的一系列問題，建立了雙定/轉(zhuǎn)子超聲電機的軸向振動模型，論證了兩組定/轉(zhuǎn)子之間發(fā)生軸向振動耦合與振動能量傳遞的可能性。按照振動隔離理論，提出并研制了共階梯軸雙定/轉(zhuǎn)

6、子超聲電機。通過對比實驗證明了該電機與傳統(tǒng)超聲電機相比具有明顯的優(yōu)越性：在電機轉(zhuǎn)速、瞬態(tài)特性等輸出性能保持不變的情況下，輸出轉(zhuǎn)矩提高了80％，功率密度提高了43.1%。對于運轉(zhuǎn)穩(wěn)定的共階梯軸雙定/轉(zhuǎn)子超聲電機，研究了組合超聲電機中的周向輸出合成機理，建立了基于雙路行波的周向輸出模型，驗證了超聲電機對不同幅值、頻率、相位的雙路行波具有良好的容差性，基于雙路行波的輸出轉(zhuǎn)矩合成效率始終高達90%。通過開展超聲電機的真空、高/低溫復合環(huán)境試驗與