超音波電機定轉子剛性接觸摩擦模型及其實驗研究

《超音波電機定轉子剛性接觸摩擦模型及其實驗研究》是依託東南大學，由胡敏強擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超音波電機定轉子剛性接觸摩擦模型及其實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡敏強
• 依託單位：東南大學

中文摘要

超音波電機的能量輸出需要通過定轉子間的摩擦耦合來實現，因此建立定轉子接觸摩擦模型對電機的設計、分析乃至控制都至關重要。目前對接觸摩擦模型的研究大多集中在柔性摩擦材料粘接在定子或轉子表面的超音波電機上。然而在光學和精密控制領域，摩擦材料的彈性會在一定程度上影響控制精度，因此採用無摩擦材料的超音波電機便成為替代選擇。本項目致力於研究無摩擦材料的環形行波型超音波電機定轉子剛性接觸摩擦模型。通過解析法、有限元法等建立定轉子剛性接觸摩擦模型，分析電機的穩態和動態性能，從而設計定轉子的結構和支撐及加預緊力方式，改善磨損特性，最佳化電機的壽命和輸出性能，研究適用於定轉子剛性接觸的測試技術和測試平台，研製原理性樣機，對理論分析結果進行實驗驗證，並根據實驗結果分析和最佳化理論模型，從而建立起超音波電機定轉子剛性接觸摩擦模型的分析、計算、設計和最佳化方法，為電機在精密控制，尤其是在超精密控制領域的套用奠定基礎。

結題摘要

超音波電機採用了與電磁電機完全不同的工作原理，其定子振動模型和定轉子接觸摩擦模型的研究，對電機的設計、最佳化及控制具有重要作用。本項目首先建立了中空環形行波超音波電機定子振動解析模型，根據電機的結構特點，將定子等效為等厚度的圓環形梁，採用解析法建立了等效定子梁的自由振動和受迫振動模型，得到定子不同振動模態對應的振動頻率，以及定子在外加電壓、定轉子間法向接觸壓力和切向摩擦力作用下的受迫振動回響。結果表明，外加電壓、法向接觸壓力以及切向摩擦力激勵所產生的定子振幅分別與電壓幅值、預壓力大小及負載轉矩成正比關係，定轉子間所施加的預壓力和轉子上的負載轉矩較小，因此法向接觸壓力和切向摩擦力對定子振動的影響較小。將理論分析結果與實驗測試結果進行了比較，二者基本吻合，驗證了所提出的解析模型。接著，採用有限元法建立了中空環形行波超音波電機定轉子靜態和動態接觸模型。先考慮未通電時定轉子的靜態接觸特性，建立二維靜態接觸模型，分析了轉子接觸變形情況、定轉子接觸區域大小、以及接觸界面上靜態接觸壓力的分布狀況，結果表明，由於轉子柔性變形，定轉子接觸面積很小，造成接觸壓力高度集中；然後考慮通電後定轉子的動態接觸特性，建立三維動態接觸模型，通過在定子中性面上施加行波運動，得到定子齒表面質點的斜橢圓運動及其與轉子的接觸狀態，比較了空載和堵轉情況下定轉子接觸表面質點的運動及接觸壓力分布，結果表明，負載轉矩對接觸壓力分布有一定影響；將理論分析結果與實驗數據進行對比，驗證了模型的有效性。然後，設計了中空環形行波超音波電機的結構，對定子進行了結構動力學分析，根據所設計的電機結構尺寸製作樣機，並對樣機進行了阻抗-頻率特性測試、定子振動回響測試和電機的輸出性能測試，測試結果表明：定子兩相的阻抗-頻率特性曲線具備良好的一致性，預壓力會使定子共振頻率點略有升高；在相同的電壓幅值下，定子振幅在共振頻率點附近達到最大，越遠離共振點振幅越小；而在相同的頻率下，電壓越大振幅也越大，電機空載轉速隨電壓增大而近似線性增加。最後，針對所設計的中空超音波電機存在接觸壓力高度集中導致磨損嚴重、定子正交的工作模態出現頻率偏差以及所能施加的預壓力很有限的問題，對定轉子結構和支撐方式進行了改進。實驗測試結果表明，改進後的電機克服了原有樣機存在的問題，輸出性能得到明顯改善。