1rpm以下轉速壓電諧波電機的研究

項目摘要

傳統行波超聲電機的低速平滑性能尚不能滿足特定領域對於1rpm以下轉速超聲電機的需要。結合諧波傳動理論與超聲電機理論，申請者提出研究1rpm以下轉速壓電諧波電機。首先研究行波超聲電機速度穩定性的影響因素；其次，建立考慮摩擦副粗糙度時定、轉子間接觸模型，研究摩擦副粗糙度、定轉子間摩擦磨損對超聲電機輸出性能及速度平滑性影響，並尋找合適的摩擦材料；再次，為弱化摩擦副粗糙度對振子振幅和振動頻率的影響，提出基於諧波摩擦減速的壓電諧波電機，研究諧波傳動與超聲電機間的結構匹配及諧波傳動對電機速度平滑性的影響；最後，進行壓電諧波電機樣機的輸出特性及速度平滑性實驗，對比在增加諧波減速環節前後速度的平滑性，並建立低速壓電諧波電機速度平滑性理論。本課題的研究既滿足了特定環境對低速超聲電機的迫切需要，又開拓了壓電電機設計的新思路，具有重要的研究價值。

結題摘要

已完成項目研究的全部內容和任務，達到項目預期的研究目標。超聲電機和傳統的諧波電機雖然具有很多優點，但在航空航天、機器人、微機電系統等要求低速平滑性能高的領域還不能滿足套用，而1rpm以下轉速壓電諧波電機在此具有著良好的套用前景。在執行本項目以前，國內外對該技術研究缺乏深入和全面的了解。在本基金的資助下，本項目主要研究內容包括：（1）首次提出雙定子超音波發生器壓電諧波電機，該電機由超音波發生器和諧波摩擦系統組成，超音波發生器包括雙定子超音波驅動器和均布在其外圓周上的3個滾珠；（2）雙定子超音波驅動器為雙定子行波超聲電機，設計為雙定子驅動有效的提高了電機的輸出特性，分析了行波超聲電機速度穩定性的影響因素，通過有限元模態分析獲得了其振動頻率與振型；（3）綜合超音波發生器和剛輪對柔輪的影響，建立了包含波發生器與柔輪、剛輪與柔輪兩個接觸對的柔輪接觸模型，分析了柔輪應力應變分布規律及其主要結構參數對其應力分布的影響；（4）分析了壓電諧波電機的驅動原理，研究了滿足柔輪材料疲勞強度、最小傳動比要求的柔輪最大徑向變形規律，建立了柔輪最大徑向變形和雙定子行波超聲電機輸出力矩相匹配的數學模型，研究了考慮摩擦副粗糙度影響的柔輪最大變形的變化規律；（5）製作樣機並進行實驗，測得樣機的工作諧振頻率為25.82kHz，驅動電壓峰峰值為300V時，最大空載轉速為0.72rpm，最大堵轉力矩為3.6N.m；（6）首次提出了換能器壓電波發生器諧波電機，該電機由換能器壓電波發生器和諧波摩擦系統組成，其中換能器波發生器包括沿中心基座圓周均布的6組兩級變幅桿縱振換能器和2級槓桿彈性位移放大機構，研究了其工作原理，通過解析法和有限元法分析了位移放大機構的放大倍數；（7）首次提出換能器超音波發生器諧波電機，該波發生器由對稱分布的縱彎複合換能器驅動的行波超聲電機和滾柱組成，完成了換能器縱振頻率、彎振頻率和定子環之間的頻率兼併，獲得了定子環上質點的輸出位移及運動軌跡。本項目探索了提高超聲電機低速平滑性的方法，研究了不同波發生器驅動的壓電諧波電機的新結構及其工作原理，其研究成果既滿足了特定環境對低速超聲電機的迫切需求，又拓展了超聲電機和諧波電機研究的新思路及套用範圍，具有重要的科學意義及研究價值。

1rpm以下轉速壓電諧波電機的研究

基本介紹

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