行波型超聲波電機(jī)的若干關(guān)鍵問題研究.pdf

1、行波型超聲波電機(jī)由于具有低速大力矩、運(yùn)行平穩(wěn)等特點(diǎn)，實(shí)用最廣，已在機(jī)器人、儀器儀表、工業(yè)控制、精密定位和航天航空等領(lǐng)域應(yīng)用。從近十年的研究發(fā)展歷程來看，行波型超聲波電機(jī)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(rèn)識這種電機(jī)的驅(qū)動模型、摩擦和噪聲機(jī)理、以及結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料和制作工藝等科學(xué)和技術(shù)層面的關(guān)鍵問題，本文就是針對這些問題進(jìn)行了探索，研究的主要內(nèi)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(jī)特性的解析模型。利用能量等效原則把環(huán)形壓電復(fù)合定子等效成等直梁結(jié)構(gòu)，綜合考慮壓電復(fù)合定子的機(jī)械損耗(包括壓電陶瓷和金屬基體的損耗)、轉(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)子之間的力傳遞模型，并探討了接觸角與定、轉(zhuǎn)子預(yù)壓力、振動幅值、摩擦材料彈性剛度之間的關(guān)系，給出了電機(jī)穩(wěn)態(tài)時的輸出力矩表達(dá)式。分析了電機(jī)能量

3、損耗的組成，通過把定、轉(zhuǎn)子接觸面的摩擦損耗和轉(zhuǎn)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(jī)的輸出效率表達(dá)式。仿真分析了定子預(yù)壓力、驅(qū)動頻率和摩擦層厚度、彈性模量等對電機(jī)振動特性和機(jī)械特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該模型的妥當(dāng)性和準(zhǔn)確性。計算分析了不同結(jié)構(gòu)尺寸的電機(jī)模態(tài)頻率，并確定了模型的適用范圍。利用該模型可以實(shí)現(xiàn)對行波型超聲波電機(jī)的正、逆問題的設(shè)計。 利用有限元和實(shí)驗(yàn)方法研究了電機(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理。分析了噪聲頻率、電機(jī)模態(tài)頻率

4、和驅(qū)動頻率三者之間的關(guān)系，確定了電機(jī)噪聲是由定、轉(zhuǎn)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(jī)噪聲產(chǎn)生機(jī)理的解析模型，分析了預(yù)壓力、轉(zhuǎn)子摩擦材料、驅(qū)動頻率以及匹配電路等對電機(jī)噪聲的影響，提出了降低或消除電機(jī)噪聲的措施，為超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，并研制了低噪聲超聲波電機(jī)。 理論與實(shí)驗(yàn)研究了行波型超聲波電機(jī)的溫度特性。利用傳熱學(xué)原理和電機(jī)解析模型建立了電機(jī)表面溫升理論表達(dá)式，明確了電機(jī)發(fā)熱主要是由

5、三部分能量損耗組成，即：定子結(jié)構(gòu)損耗(包括定子彈性體和壓電陶瓷結(jié)構(gòu))、定、轉(zhuǎn)子接觸面摩擦損耗和壓電陶瓷的介電損耗；分析了電機(jī)參數(shù)(諸如驅(qū)動電壓、驅(qū)動頻率、摩擦材料特性、預(yù)壓力以及負(fù)載力矩等)對電機(jī)溫升的影響。建立了電機(jī)溫度-頻率特性和溫度-速度特性理論表達(dá)式，通過實(shí)驗(yàn)分析了溫度對電機(jī)轉(zhuǎn)速、諧振頻率、機(jī)械性能等特性的影響，提出了減輕電機(jī)發(fā)熱的措施方法。研究成果對改善電機(jī)性能、提高電機(jī)使用壽命以及驅(qū)動控制提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 利用

6、有限元和電機(jī)性能的尺寸比例效應(yīng)對行波型超聲波電機(jī)進(jìn)行了分析設(shè)計；為改善電機(jī)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(zhuǎn)子配合的行波型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)；同時，為提高電機(jī)的輸出力矩，提出了雙定子雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式的超聲波電機(jī)。 提出了基于納米改性的超聲波電機(jī)摩擦材料配制方法—粘涂法，較好地解決了摩擦材料在電機(jī)運(yùn)行過程中的掉粉和發(fā)熱嚴(yán)重等現(xiàn)象；利用有限元法對壓電陶瓷的粘結(jié)工藝進(jìn)行了深入地分析，一方面進(jìn)一步研究了不同激勵條件下膠粘