共轴并联式环形行波超声波电机结构动力学模型及实验研究

超声波电机的优良特性使其得到广泛的应用。由于受超声波电机固有的原理限制，环形行波型超声波电机输出力矩、输出功率较小，这使其在机器人等领域的应用受到限制。本项目致力于探索通过双定子共轴并联的方式研究大力矩超声波电机。通过建立环形行波超声波电机精确的结构动力学模型，找出行波超声波电机定子结构动力修正在工程上应用的方法，使多定子共振频率趋向一致；研究多定子驱动对转子结构振动的影响，改进定转子的支撑和加预紧力的方式；研究大力矩输出下考虑摩擦层剪切变形的定转子关于行波波峰不对称接触的摩擦接触模型，为改进摩擦材料提供理论指导；研制共轴并联式环形行波超声波电机原理性样机，对共轴并联式环形行波超声波电机的输出特性展开实验研究，验证所提出的模型和分析方法，使电机输出力矩和输出功率倍增而体积增加不到百分之五十,为其在汽车、机器人等领域的应用奠定理论和技术基础。

针对目前环形行波型超声波电机输出力矩和输出功率都比较小的缺点，在原有直径60mm环形行波超声波电机的基础上设计了共轴并联式环形行波超声波电机的结构，并对其输出转矩特性进行分析，分析结果表明设计的电机能在增加输出转矩的同时，保持传统环形行波型电机的优点。设计中采用解析法研究了行波超声波电机的粘弹性接触模型，得到了定转子接触区的粘滑分布特性，为超声波电机的设计与分析及摩擦材料的改进提供了理论依据。以研究行波型超声波电机的转矩为目标，搭建了实验平台，实现对电机转矩的控制。制作了共轴并联式环形行波超声波电机样机并进行性能测试。与原有超声波电机相比，优化后的样机在体积增加不到20%的基础上，实现输出转矩增加了80%。另外进一步提出采用多定子多转子共轴并联的方式实现大力矩环形行波超声波电机输出转矩进一步提高的构想，为实现超声波电机大功率大力矩驱动提供基础。