行波型超聲波電機的若干關鍵問題研究.pdf

1、行波型超聲波電機由于具有低速大力矩、運行平穩(wěn)等特點，實用最廣，已在機器人、儀器儀表、工業(yè)控制、精密定位和航天航空等領域應用。從近十年的研究發(fā)展歷程來看，行波型超聲波電機的研究始終圍繞大力矩、高精度、以及高穩(wěn)定性和可靠性等性能提高的縱深方向上發(fā)展，從而需要更全面和更深入地認識這種電機的驅動模型、摩擦和噪聲機理、以及結構設計、材料和制作工藝等科學和技術層面的關鍵問題，本文就是針對這些問題進行了探索，研究的主要內容有： 系統(tǒng)提出了基于

2、能量等效思想的行波型超聲波電機特性的解析模型。利用能量等效原則把環(huán)形壓電復合定子等效成等直梁結構，綜合考慮壓電復合定子的機械損耗(包括壓電陶瓷和金屬基體的損耗)、轉動慣量和剪切變形，利用鐵摩辛柯梁振動理論得到了壓電復合定子在自由狀態(tài)下的頻率方程和受迫狀態(tài)下的振動解析解；利用庫侖摩擦接觸理論建立了定、轉子之間的力傳遞模型，并探討了接觸角與定、轉子預壓力、振動幅值、摩擦材料彈性剛度之間的關系，給出了電機穩(wěn)態(tài)時的輸出力矩表達式。分析了電機能量

3、損耗的組成，通過把定、轉子接觸面的摩擦損耗和轉子的輸出功率等效為定子振動的彎曲阻尼損失，建立了電機的輸出效率表達式。仿真分析了定子預壓力、驅動頻率和摩擦層厚度、彈性模量等對電機振動特性和機械特性的影響，實驗結果證明了該模型的妥當性和準確性。計算分析了不同結構尺寸的電機模態(tài)頻率，并確定了模型的適用范圍。利用該模型可以實現(xiàn)對行波型超聲波電機的正、逆問題的設計。 利用有限元和實驗方法研究了電機噪聲產生機理。分析了噪聲頻率、電機模態(tài)頻率

4、和驅動頻率三者之間的關系，確定了電機噪聲是由定、轉子之間的徑向摩擦自激振動引起的。并利用非線性振動理論建立了電機噪聲產生機理的解析模型，分析了預壓力、轉子摩擦材料、驅動頻率以及匹配電路等對電機噪聲的影響，提出了降低或消除電機噪聲的措施，為超聲波電機結構的改進提供了理論和實驗依據，并研制了低噪聲超聲波電機。 理論與實驗研究了行波型超聲波電機的溫度特性。利用傳熱學原理和電機解析模型建立了電機表面溫升理論表達式，明確了電機發(fā)熱主要是由

5、三部分能量損耗組成，即：定子結構損耗(包括定子彈性體和壓電陶瓷結構)、定、轉子接觸面摩擦損耗和壓電陶瓷的介電損耗；分析了電機參數(shù)(諸如驅動電壓、驅動頻率、摩擦材料特性、預壓力以及負載力矩等)對電機溫升的影響。建立了電機溫度-頻率特性和溫度-速度特性理論表達式，通過實驗分析了溫度對電機轉速、諧振頻率、機械性能等特性的影響，提出了減輕電機發(fā)熱的措施方法。研究成果對改善電機性能、提高電機使用壽命以及驅動控制提供了理論和實驗依據。 利用

6、有限元和電機性能的尺寸比例效應對行波型超聲波電機進行了分析設計；為改善電機定子齒表面振動幅值的不平衡性，提出了斜齒槽型定子和柔性轉子配合的行波型超聲波電機結構；同時，為提高電機的輸出力矩，提出了雙定子雙轉子結構形式的超聲波電機。 提出了基于納米改性的超聲波電機摩擦材料配制方法—粘涂法，較好地解決了摩擦材料在電機運行過程中的掉粉和發(fā)熱嚴重等現(xiàn)象；利用有限元法對壓電陶瓷的粘結工藝進行了深入地分析，一方面進一步研究了不同激勵條件下膠粘