行波型超聲波電機性能提高和可靠性研究.pdf

1、行波型超聲波電機由于具有低速大力矩、無電磁干擾、適合直驅(qū)等特點，是使用最為廣泛的一種電機。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬，要求了解和掌握超聲波電機各種極限環(huán)境下的適應(yīng)性與設(shè)計制造技術(shù)；要求進一步提高電機的出力和效率；要求進一步提高電機平穩(wěn)可靠運行等。針對上述問題，本文以行波型超聲波電機為研究對象，著重研究大力矩和高效率的電機結(jié)構(gòu)、摩擦材料和摩擦接觸特性、驅(qū)動控制策略、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的優(yōu)化設(shè)計方法，提高了電機的出力。針對雙定子雙轉(zhuǎn)子行波型超聲波電機，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)子電機結(jié)構(gòu)，并給出雙定子的簡單調(diào)諧辦法。針對直徑100mm的行波電機，理論和實驗分析了電機定子薄弱環(huán)節(jié)、轉(zhuǎn)子臂厚度、轉(zhuǎn)子支撐厚度、齒高等因素對電機出力的影響。著重解決大直徑電機定轉(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，使電機的堵轉(zhuǎn)力矩達到4.2Nm，空載轉(zhuǎn)速達

3、到85rpm，為電機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，并形成了其優(yōu)化設(shè)計理論。行波定子的振動是三維的，其徑向振動分量也是較大的，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)壓力影響電機起動特性。針對定轉(zhuǎn)子內(nèi)外側(cè)錐面接觸的差異，理論分析了電機定轉(zhuǎn)子接觸機理，優(yōu)化了定子結(jié)構(gòu)，提出并設(shè)計了采用螺旋板簧組成的自適應(yīng)結(jié)構(gòu)，最后實驗測試了內(nèi)外側(cè)錐

4、面接觸電機的負載、溫度和瞬態(tài)特性等。樣機表明，此電機結(jié)構(gòu)具有加工簡單、安裝方便等優(yōu)點，并降低了電機的制造成本。研制的內(nèi)錐轉(zhuǎn)子浮動型超聲波電機樣機最高效率可達40％，比現(xiàn)有效率最高的行波型超聲波電機的效率(35％)提高了5％，這是目前行波型電機中效率最高的。
　　 3．探討了超聲波電機的摩擦驅(qū)動問題，并提出了摩擦系數(shù)計算模型。研制了超聲波電機定轉(zhuǎn)子接觸面摩擦系數(shù)測量裝置，實驗比較摩擦接觸面在常規(guī)、定子駐波振動以及行波振動下的動態(tài)摩

5、擦系數(shù)，分析了定轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速（速度）、預(yù)緊力以及溫度對定轉(zhuǎn)子接觸面摩擦系數(shù)的影響。根據(jù)摩擦二項式和電機定轉(zhuǎn)子表面彈塑性接觸狀態(tài)說明了摩擦系數(shù)與預(yù)緊力等的對應(yīng)關(guān)系，分析了駐波振動和行波振動的超聲減摩效果，給出了適合行波型超聲波電機的摩擦系數(shù)計算模型。
　　 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)超聲波電機工作原理可以將電機驅(qū)動電路分為頻率發(fā)生、信號放大、阻抗匹配和頻率自動跟蹤四大部分。介紹了電路頻率發(fā)生和信號發(fā)生電路

6、的工作原理和總體結(jié)構(gòu)，并根據(jù)電機在諧振點附近等效電路結(jié)構(gòu)提出了阻抗匹配原理和具體實現(xiàn)電路。比較了溫度、負載對電機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，并驗證了該策略的有效性，實現(xiàn)了電機在各種情況下的穩(wěn)定運行。
　　 5、研究了行波型超聲波電機在極限環(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)境下的電機機械特