分體式螺旋形定子超聲微電機的研究

《分體式螺旋形定子超聲微電機的研究》是依託浙江師範大學，由馬繼傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：分體式螺旋形定子超聲微電機的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馬繼傑
• 依託單位：浙江師範大學

項目摘要

提出一種分體式螺旋形定子超聲微電機，利用波導傳遞超聲換能器的振動能量，激勵螺旋形定子工作部產生行波驅動轉子旋轉，具有接觸面積大、無需預緊裝置、超聲換能器和電機主體分離等特點，良好的功率密度使其非常適合微型化設計，適用於MEMS、精密醫療器械和活體體內工作環境等領域。主要研究內容：統籌考慮超聲換能器、波導、螺旋形定子工作部及轉子間的作用關係，通過模擬與仿真分析，從理論上獲得相關要素對超聲微電機性能的影響規律以及機電系統間合理的參數匹配關係；建立分體式螺旋形定子超聲微電機的動力學模型和接觸模型，研究螺旋形定子中行波的產生條件，分析接觸點橢圓運動形態，揭示超聲微電機驅動力的形成機理；進行不同尺寸/形式樣機的設計與製作，通過正交試驗對各子系統進行最佳化設計，獲得最優機械結構、系統參數、控制策略和集成方案；完成分體式螺旋形定子超聲微電機的設計與製作（含控制系統，至少4套），提供設計方法和關鍵技術參數。

結題摘要

超聲電機是利用壓電陶瓷材料的逆壓電效應，將壓電振子超聲頻段內的振動能轉換成機械能並依靠摩擦力來驅動轉子運動的一種新型電機。常見的超聲電機包括行波和駐波兩種類型。本項目提出一種利用螺旋形定子結構的超聲電機，通過螺旋兩端激振和吸振在螺旋線表面質點產生橢圓運動，驅動轉子運行。項目主要研究內容包括：①仿真研究：通過建立螺旋形定子的有限元模型，分析了定子驅動層質點的運動軌跡，研究了不同參數條件下驅動層質點的運動形態，進而分析了各個參數的影響規律；②驅動測試系統設計：搭建了能夠實現螺旋形定子超聲電機的驅動與測試功能的實驗系統，通過激振和吸振的方式實現電機驅動，同時能夠測量電機轉速與啟動力矩。③樣機與實驗：設計繞制模具製作螺旋形定子，採用中空鋼管進行外圓磨削的方式製作低慣量轉子，通過調整轉子外徑實現定、轉子接觸力的控制，構建出螺旋形定子超聲電機樣機，並對不同參數電機進行測試。項目研究的主要結果包括：①對螺旋形定子驅動面質點運動形態仿真，發現質點在X和Y方向上振動，在經歷約9個周期後，質點振幅基本趨於穩定，螺旋工作面質點在XOY面內的運動軌跡為斜橢圓；②螺旋參數中，螺旋線半徑增大時質點振幅先增後降，導程對質點振幅無顯著影響；③搭建了能夠實現螺旋形定子超聲電機驅動和測試的綜合實驗平台；④設計了一種串聯型正反螺旋定子直線超聲電機結構並給出了正反螺旋繞制方法；⑤設計了一種兩自由度超聲電機並給出了兩自由度運行時的驅動方法。⑥開展了壓電智慧型材料相關的其他研究，基於非對稱夾持和磁力箝位原理研製了多種不同結構的壓電精密驅動機構，實現微米級定位。本項目對螺旋形定子超聲電機進行了基礎研究與探討，表明螺旋形定子可以在超聲激勵下驅動轉子運行，並在此基礎上提出雙螺旋的新構想，為後續研究工作的開展提供一定借鑑。