新型行波超聲電機機理與實驗研究.pdf

1、超聲波電機是近20年發(fā)展起來的新型驅動器，其工作原理與傳統(tǒng)的電磁型電機工作原理有著根本區(qū)別，它是利用壓電陶瓷的逆壓電效應將電能轉化成質點超高頻微觀振動，進一步通過摩擦或聲懸浮驅動轉子的宏觀運動。具有結構簡單、設計靈活、低速、大力矩密度、響應快、無電磁干擾等優(yōu)點，在航空航天、機器人、光學儀器、醫(yī)療器械、精加工、辦公自動化、信息產業(yè)、汽車等領域中具有廣闊的應用前景。但由于超聲電機發(fā)展歷史較短，輸出性能有著很多不足，特別是行波超聲電機，在力矩

2、密度和絕對輸出力矩方面，都難以滿足實際應用領域的需要。為提高行波超聲電機力矩密度和絕對輸出力矩的性能指標，擴展其應用領域，本文對行波超聲電機定子的結構、振動特性以及電機系統(tǒng)進行了全面的研究。
　　傳統(tǒng)圓環(huán)型行波超聲電機在動態(tài)接觸過程中，定轉子之間動態(tài)點面接觸是其力矩密度和絕對輸出力矩比較低的主要原因。針對行波超聲電機的這個缺點，本文提出將定轉子之間動態(tài)點面接觸改變?yōu)榫€面接觸的新驅動原理概念。從提高行波超聲電機的力矩密度和絕對輸出力

3、矩兩個角度，進行了新型行波超聲電機的理論與實驗研究。
　　首先從提高力矩密度角度，本文提出了一種圓筒型超聲電機結構，利用定子質點徑向橢圓運動的切向速度產生的摩擦力來驅動轉子旋轉，其定轉子之間為動態(tài)線面接觸，從而通過增大接觸面積，提高了樣機的力矩密度。本文實驗樣機的力矩/質量比是日本USR30的1.7倍。文中對此電機定子進行了理論分析，從圓柱殼體的振動微分方程出發(fā)，通過給定邊界條件和初始條件，求解出了圓柱殼體振動的頻率參數。從能量守

4、恒原理出發(fā)，針對圓柱殼體中性層的兩種狀態(tài)（不變和伸長），推導出壓電陶瓷的位置分布對圓柱殼體定子振動特性的影響，以及求解出壓電陶瓷分布參數所應滿足的函數關系式；從振動力學、波動學理論出發(fā)，分析圓筒型超聲電機定子行波形成原理。
　　本文建立了粘貼壓電陶瓷的圓筒型超聲電機定子的有限元模型，采用耦合場分析方法對電機定子（考慮壓電陶瓷的電學效應）進行了有限元分析，得到了數值分析結果，進一步采用不同的回歸擬合函數，建立了以不同金屬基體厚度與壓

5、電陶瓷厚度比值、齒的結構尺寸以及不同軸向尺寸為自變量，定子自由振動特征頻率為因變量的數學解析模型，繪制了各參數對定子圓柱殼體固有頻率的影響曲線。同時對定子齒的齒高、齒周向尺寸以及定子軸向尺寸變化對特征頻率的影響進行了比較分析，為定子齒結構參數的優(yōu)化設計提供了選擇的依據。文中利用有限元瞬態(tài)分析，證明了圓筒型超聲電機在特定間隔位置分布的壓電陶瓷激勵下，可以在定子齒上形成徑向橢圓運動軌跡。
　　本文針對圓筒型超聲電機對預緊力調節(jié)的要求，

6、提出了兩種形式的圓筒型超聲電機定子結構。并給出了定子齒結構參數的設計規(guī)則。通過對電機材料使用特性的要求以及結構形式特殊性的分析，選擇了適合圓筒型超聲電機的材料。最后通過對兩種定子結構形式電機的測試得到了圓筒型超聲電機的力矩/質量比，并分析了性能輸出受到限制的原因，同時也看到了此種結構形式電機的發(fā)展空間。
　　為了提高行波超聲電機的絕對輸出力矩，本文提出并研制了一種基于仿行波機理的換能器式大力矩超聲電機。其定子由3個蘭杰文振子組成，