行波型旋转超声电机产业化中的若干关键技术研究

摘要

本课题是国家自然基金和广东联合基金项目“精密电子制造装备关键理论与技术研究”（No. U0934004）的子课题之一，研究对象是行波型旋转超声电机在产业化进程中的若干关键技术。
　　行波型旋转超声电机是最具代表性的一类超声电机，在外部形状和输出方式等方面与传统电磁电机比较接近，而直接驱动的运行机理又使其具备了许多优良特性，是目前超声电机应用最广泛的一种，因而也是产业化前景最好的一类产品。超声电机作为多个学科交叉融合的高新技术产品，其发展历史相对较短，在产业化进程中还遇到许多问题。本文以研制高输出性能、低制造成本的超声电机为最终目标，深入研究了行波型旋转超声电机在产业化进程中的若干关键技术，主要研究内容及其成果概括如下：
　　（1）分析了行波型旋转超声电机的运行机理，指出了超声电机在产业化进程中需要研究定子、驱动界面以及输出转矩的提高等方面的问题。
　　（2）针对超声电机定子的机电耦合关系，应用有限元方法分析了定子的激励效果。通过行波型旋转超声电机两种典型定子的分析比较，总结了齿槽斜角对定子振动特性的影响。为解决定子批量制造中的两相工作频率一致性问题，分析了影响定子工作频率的动力学参数，提出了齿面径向倒角的调节频率方法。
　　（3）为实现超声电机定子的批量生产，提出用先进电子制造中的回流焊方法代替传统的胶粘高温固化方法。根据定子一体化联接的实际要求，首次设计和搭建了超声电机定子的回流焊试验系统，完成了定子弹性体/压电陶瓷片的快速联接。试验研究了回流焊多个因素对焊接定子性能的影响，理论分析了直接关系到定子振动特性的联接层参数，还进一步研究了在六种焊料下焊接界面的力学性能与焊接后定子的振动特性，指出了影响焊接定子性能的主要因素之一是焊料材料。
　　（4）根据超声电机工作时定子微幅/高频振动的特点，理论分析了超声电机驱动界面输出性能的影响因素，建立了基于表面形貌的等效刚度模型，总结了表面形貌参数对电机输出性能的影响，归纳了减小驱动界面粘着区从而增加输出性能的主要途径，首次发现了转子腹板刚度系数对驱动界面压力的影响。试验研究了交联超高分子量聚乙烯复合材料的改性制备对力学参数的影响。从表面形貌的等效刚度模型、摩擦材料层的剪切变形、转子刚度的组合匹配等理论方面进行了分析，探讨了驱动界面采用这种新型摩擦材料能够提高超声电机输出性能。
　　（5）针对行波型旋转超声电机组合方式目前所存在的一系列问题，建立了双定/转子超声电机的轴向振动模型，论证了两组定/转子之间发生轴向振动耦合与振动能量传递的可能性。按照振动隔离理论，提出并研制了共阶梯轴双定/转子超声电机。通过对比实验证明了该电机与传统超声电机相比具有明显的优越性：在电机转速、瞬态特性等输出性能保持不变的情况下，输出转矩提高了80％，功率密度提高了43.1%。对于运转稳定的共阶梯轴双定/转子超声电机，研究了组合超声电机中的周向输出合成机理，建立了基于双路行波的周向输出模型，验证了超声电机对不同幅值、频率、相位的双路行波具有良好的容差性，基于双路行波的输出转矩合成效率始终高达90%。通过开展超声电机的真空、高/低温复合环境试验与振动环境试验，证明了本文自主研制的共阶梯轴双定/转子超声电机具备一定的极端环境适应性与较好的抗震能力，具有较高的生产和实用价值。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 超声电机概述

1.3 行波型旋转超声电机的研究现状

1.4 本课题的研究目的和内容安排

第二章 行波型旋转超声电机产业化的某些关键技术

2.1 行波型旋转超声电机的运行机理与典型结构

2.2 定子的结构设计

2.3 定子弹性体/压电陶瓷片的一体化联接

2.4 驱动界面的设计与制造技术

2.5 提高行波型旋转超声电机转矩的途径

2.6 本章小结

第三章 基于有限元方法的定子改进设计

3.1 引言

3.2 超声电机定子的有限元分析方法

3.3 齿槽斜角对定子振动特性的影响

3.4 定子两相模态频率一致性的调节

3.5 本章小结

第四章 定子弹性体/压电陶瓷片一体化联接中的回流焊方法

4.1 引言

4.2 应用于定子一体化联接的回流焊试验系统

4.3 定子回流焊的试验设计与结果分析

4.4 焊接定子的振动特性分析

4.5 不同焊料对定子一体化的影响

4.6 本章小结

第五章 影响驱动界面输出性能的关键因素

5.1 引言

5.2 基于摩擦材料层表面形貌的等效刚度模型

5.3 摩擦材料层剪切变形对输出性能的影响

5.4 转子刚度系数对驱动界面压力变化的影响

5.5 交联超高分子量聚乙烯摩擦材料的应用

5.6 本章小结

第六章 共阶梯轴双定/转子超声电机

6.1 引言

6.2 双定/转子超声电机的理论模型与仿真分析

6.3 组合结构超声电机与驱动器的设计实现

6.4 组合结构超声电机机械特性与瞬态特性

6.5 双路行波不一致对超声电机输出特性影响

6.6 共阶梯轴双定/转子超声电机的极端环境试验研究

6.7 本章小结

第七章 全文总结

7.1 本文的主要工作与贡献

7.2 进一步研究的课题

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文