超声波电机摩擦驱动模型和摩擦材料研究

【摘要】：超声波电动机较常规的电磁马达体现出高的制动力矩、大力距低转速、可小尺寸化、无电磁干扰。近十年来，压电马达在聚焦机构、精密定位台、机器人执行器等领域均有相当多的应用。 超声电机是典型的机电一体化的高科技产品，发展历史较短、涵盖多个学科。本文首先就超声波电动机的发展历史和现状加以阐述，指出了技术的难点和关键。接着分析了超声波电动机的工作原理和定子表面质点椭圆运动的形成机理。超声波电机的解析模型包括两部分：定子环的振动模型和接触面的摩擦驱动模型。在查阅文献的基础上，笔者对定子的振动模型进行了详细推导和论证，引申出计算的通用思路；通过对定转子间的微观驱动过程的分析的基础上，推导建立起定转子间的摩擦驱动模型，明晰了模型建立的前提条件和构成部分，阐述了两种摩擦驱动模型的内在关系，形成了较完整的体系。 同时，针对一种行波型超声波电动机开展摩擦材料研究。首先，进行一定的工艺准备，即制备一系列耐磨材料薄膜并进行表面性能测试如膜基结合力、显微硬度。用球-盘式摩擦磨损试验机对这些薄膜的表面与钢在干摩擦条件下的摩擦磨损行为进行研究。接着在电机运转的条件下，对耐磨材料组成的摩擦副的表现进行评价和优选。用扫描电镜和X射线能谱仪对超声电机工作状态下磨损性质加以分析和判定。通过电机的运转试验证实得到的摩擦材料具有掉沬少、使电机温升较小和输出平稳的特点。