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行波型超声波电机的若干关键问题研究

王光庆  
【摘要】:行波型超声波电机由于具有低速大力矩、运行平稳等特点,实用最广,已在机器人、仪器仪表、工业控制、精密定位和航天航空等领域应用。从近十年的研究发展历程来看,行波型超声波电机的研究始终围绕大力矩、高精度、以及高稳定性和可靠性等性能提高的纵深方向上发展,从而需要更全面和更深入地认识这种电机的驱动模型、摩擦和噪声机理、以及结构设计、材料和制作工艺等科学和技术层面的关键问题,本文就是针对这些问题进行了探索,研究的主要内容有: 系统提出了基于能量等效思想的行波型超声波电机特性的解析模型。利用能量等效原则把环形压电复合定子等效成等直梁结构,综合考虑压电复合定子的机械损耗(包括压电陶瓷和金属基体的损耗)、转动惯量和剪切变形,利用铁摩辛柯梁振动理论得到了压电复合定子在自由状态下的频率方程和受迫状态下的振动解析解;利用库仑摩擦接触理论建立了定、转子之间的力传递模型,并探讨了接触角与定、转子预压力、振动幅值、摩擦材料弹性刚度之间的关系,给出了电机稳态时的输出力矩表达式。分析了电机能量损耗的组成,通过把定、转子接触面的摩擦损耗和转子的输出功率等效为定子振动的弯曲阻尼损失,建立了电机的输出效率表达式。仿真分析了定子预压力、驱动频率和摩擦层厚度、弹性模量等对电机振动特性和机械特性的影响,实验结果证明了该模型的妥当性和准确性。计算分析了不同结构尺寸的电机模态频率,并确定了模型的适用范围。利用该模型可以实现对行波型超声波电机的正、逆问题的设计。 利用有限元和实验方法研究了电机噪声产生机理。分析了噪声频率、电机模态频率和驱动频率三者之间的关系,确定了电机噪声是由定、转子之间的径向摩擦自激振动引起的。并利用非线性振动理论建立了电机噪声产生机理的解析模型,分析了预压力、转子摩擦材料、驱动频率以及匹配电路等对电机噪声的影响,提出了降低或消除电机噪声的措施,为超声波电机结构的改进提供了理论和实验依据,并研制了低噪声超声波电机。 理论与实验研究了行波型超声波电机的温度特性。利用传热学原理和电机解析模型建立了电机表面温升理论表达式,明确了电机发热主要是由三部分能量损耗组成,即:定子结构损耗(包括定子弹性体和压电陶瓷结构)、定、转子接触面摩擦损耗和压电陶瓷的介电损耗;分析了电机参数(诸如驱动电压、驱动频率、摩擦材料特性、预压力以及负载力矩等)对电机温升的影响。建立了电机温度-频率特性和温度-速度特性理论表达式,通过实验分析了温度对电机转速、谐振频率、机械性能等特性的影响,提出了减轻电机发热的措施方法。研究成果对改善电机性能、提高电机使用寿命以及驱动控制提供了理论和实验依据。 利用有限元和电机性能的尺寸比例效应对行波型超声波电机进行了分析设计;为改善电机定子齿表面振动幅值的不平衡性,提出了斜齿槽型定子和柔性转


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