行波型超聲波電機(jī)性能提高和可靠性研究.pdf

1、行波型超聲波電機(jī)由于具有低速大力矩、無電磁干擾、適合直驅(qū)等特點(diǎn)，是使用最為廣泛的一種電機(jī)。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，要求了解和掌握超聲波電機(jī)各種極限環(huán)境下的適應(yīng)性與設(shè)計(jì)制造技術(shù)；要求進(jìn)一步提高電機(jī)的出力和效率；要求進(jìn)一步提高電機(jī)平穩(wěn)可靠運(yùn)行等。針對(duì)上述問題，本文以行波型超聲波電機(jī)為研究對(duì)象，著重研究大力矩和高效率的電機(jī)結(jié)構(gòu)、摩擦材料和摩擦接觸特性、驅(qū)動(dòng)控制策略、極限下的適應(yīng)性及其可靠性技術(shù)等問題。本文主要工作和取得的研究成果有：
　　

2、 1．建立了雙定子雙轉(zhuǎn)子和大直徑行波型超聲波電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，提高了電機(jī)的出力。針對(duì)雙定子雙轉(zhuǎn)子行波型超聲波電機(jī)，提出了保證定子和轉(zhuǎn)子軸幾何精度和位置精度的雙定子雙轉(zhuǎn)子電機(jī)結(jié)構(gòu)，并給出雙定子的簡(jiǎn)單調(diào)諧辦法。針對(duì)直徑100mm的行波電機(jī)，理論和實(shí)驗(yàn)分析了電機(jī)定子薄弱環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子臂厚度、轉(zhuǎn)子支撐厚度、齒高等因素對(duì)電機(jī)出力的影響。著重解決大直徑電機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸面受力不均的問題，提出了分體轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的方案，使電機(jī)的堵轉(zhuǎn)力矩達(dá)到4.2Nm，空載轉(zhuǎn)速達(dá)

3、到85rpm，為電機(jī)提高力矩提供了一種新的思路。
　　 2．提出了一種高效率的錐面結(jié)構(gòu)的行波型超聲波電機(jī)，并形成了其優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。行波定子的振動(dòng)是三維的，其徑向振動(dòng)分量也是較大的，定轉(zhuǎn)子采用錐面結(jié)構(gòu)，一方面可以充分利用其振動(dòng)能量，另一方面也降低了軸向預(yù)壓力，避免過緊預(yù)壓力影響電機(jī)起動(dòng)特性。針對(duì)定轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)錐面接觸的差異，理論分析了電機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸機(jī)理，優(yōu)化了定子結(jié)構(gòu)，提出并設(shè)計(jì)了采用螺旋板簧組成的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，最后實(shí)驗(yàn)測(cè)試了內(nèi)外側(cè)錐

4、面接觸電機(jī)的負(fù)載、溫度和瞬態(tài)特性等。樣機(jī)表明，此電機(jī)結(jié)構(gòu)具有加工簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，并降低了電機(jī)的制造成本。研制的內(nèi)錐轉(zhuǎn)子浮動(dòng)型超聲波電機(jī)樣機(jī)最高效率可達(dá)40％，比現(xiàn)有效率最高的行波型超聲波電機(jī)的效率(35％)提高了5％，這是目前行波型電機(jī)中效率最高的。
　　 3．探討了超聲波電機(jī)的摩擦驅(qū)動(dòng)問題，并提出了摩擦系數(shù)計(jì)算模型。研制了超聲波電機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸面摩擦系數(shù)測(cè)量裝置，實(shí)驗(yàn)比較摩擦接觸面在常規(guī)、定子駐波振動(dòng)以及行波振動(dòng)下的動(dòng)態(tài)摩

5、擦系數(shù)，分析了定轉(zhuǎn)子相對(duì)轉(zhuǎn)速（速度）、預(yù)緊力以及溫度對(duì)定轉(zhuǎn)子接觸面摩擦系數(shù)的影響。根據(jù)摩擦二項(xiàng)式和電機(jī)定轉(zhuǎn)子表面彈塑性接觸狀態(tài)說明了摩擦系數(shù)與預(yù)緊力等的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了駐波振動(dòng)和行波振動(dòng)的超聲減摩效果，給出了適合行波型超聲波電機(jī)的摩擦系數(shù)計(jì)算模型。
　　 4．提出了基于輸入電壓自適應(yīng)的頻率跟蹤控制策略。根據(jù)超聲波電機(jī)工作原理可以將電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路分為頻率發(fā)生、信號(hào)放大、阻抗匹配和頻率自動(dòng)跟蹤四大部分。介紹了電路頻率發(fā)生和信號(hào)發(fā)生電路

6、的工作原理和總體結(jié)構(gòu)，并根據(jù)電機(jī)在諧振點(diǎn)附近等效電路結(jié)構(gòu)提出了阻抗匹配原理和具體實(shí)現(xiàn)電路。比較了溫度、負(fù)載對(duì)電機(jī)諧振頻率和輸入電壓的影響，并引入了漸變系統(tǒng)和快變系統(tǒng)兩個(gè)概念提出了基于輸入電壓自適應(yīng)的頻率跟蹤控制策略，并驗(yàn)證了該策略的有效性，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)在各種情況下的穩(wěn)定運(yùn)行。
　　 5、研究了行波型超聲波電機(jī)在極限環(huán)境下的適應(yīng)性及其可靠性技術(shù)。利用行波型超聲波電機(jī)最常用的三種摩擦材料，比較不同摩擦材料在常態(tài)和真空環(huán)境下的電機(jī)機(jī)械特