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、適合直驅等特點，是使用最為廣泛的一種電機。隨著應用領域的拓寬，要求了解和掌握超聲波電機各種極限環(huán)境下的適應性與設計制造技術；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構、摩擦材料和摩擦接觸特性、驅動控制策略、極限下的適應性及其可靠性技術等問題。本文主要工作和取得的研究成果有：
　　

2、 1．建立了雙定子雙轉子和大直徑行波型超聲波電機的優(yōu)化設計方法，提高了電機的出力。針對雙定子雙轉子行波型超聲波電機，提出了保證定子和轉子軸幾何精度和位置精度的雙定子雙轉子電機結構，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)、轉子臂厚度、轉子支撐厚度、齒高等因素對電機出力的影響。著重解決大直徑電機定轉子接觸面受力不均的問題，提出了分體轉子結構的方案，使電機的堵轉力矩達到4.2Nm，空載轉速達

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構的行波型超聲波電機，并形成了其優(yōu)化設計理論。行波定子的振動是三維的，其徑向振動分量也是較大的，定轉子采用錐面結構，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壓力，避免過緊預壓力影響電機起動特性。針對定轉子內(nèi)外側錐面接觸的差異，理論分析了電機定轉子接觸機理，優(yōu)化了定子結構，提出并設計了采用螺旋板簧組成的自適應結構，最后實驗測試了內(nèi)外側錐

4、面接觸電機的負載、溫度和瞬態(tài)特性等。樣機表明，此電機結構具有加工簡單、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)，分析了定轉子相對轉速（速度）、預緊力以及溫度對定轉子接觸面摩擦系數(shù)的影響。根據(jù)摩擦二項式和電機定轉子表面彈塑性接觸狀態(tài)說明了摩擦系數(shù)與預緊力等的對應關系，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構，并根據(jù)電機在諧振點附近等效電路結構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)境下的適應性及其可靠性技術。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