超声波电机定转子刚性接触摩擦模型及其实验研究

超声波电机的能量输出需要通过定转子间的摩擦耦合来实现，因此建立定转子接触摩擦模型对电机的设计、分析乃至控制都至关重要。目前对接触摩擦模型的研究大多集中在柔性摩擦材料粘接在定子或转子表面的超声波电机上。然而在光学和精密控制领域，摩擦材料的弹性会在一定程度上影响控制精度，因此采用无摩擦材料的超声波电机便成为替代选择。本项目致力于研究无摩擦材料的环形行波型超声波电机定转子刚性接触摩擦模型。通过解析法、有限元法等建立定转子刚性接触摩擦模型，分析电机的稳态和动态性能，从而设计定转子的结构和支撑及加预紧力方式，改善磨损特性，优化电机的寿命和输出性能，研究适用于定转子刚性接触的测试技术和测试平台，研制原理性样机，对理论分析结果进行实验验证，并根据实验结果分析和优化理论模型，从而建立起超声波电机定转子刚性接触摩擦模型的分析、计算、设计和优化方法，为电机在精密控制，尤其是在超精密控制领域的应用奠定基础。

超声波电机采用了与电磁电机完全不同的工作原理，其定子振动模型和定转子接触摩擦模型的研究，对电机的设计、优化及控制具有重要作用。本项目首先建立了中空环形行波超声波电机定子振动解析模型，根据电机的结构特点，将定子等效为等厚度的圆环形梁，采用解析法建立了等效定子梁的自由振动和受迫振动模型，得到定子不同振动模态对应的振动频率，以及定子在外加电压、定转子间法向接触压力和切向摩擦力作用下的受迫振动响应。结果表明，外加电压、法向接触压力以及切向摩擦力激励所产生的定子振幅分别与电压幅值、预压力大小及负载转矩成正比关系，定转子间所施加的预压力和转子上的负载转矩较小，因此法向接触压力和切向摩擦力对定子振动的影响较小。将理论分析结果与实验测试结果进行了比较，二者基本吻合，验证了所提出的解析模型。接着，采用有限元法建立了中空环形行波超声波电机定转子静态和动态接触模型。先考虑未通电时定转子的静态接触特性，建立二维静态接触模型，分析了转子接触变形情况、定转子接触区域大小、以及接触界面上静态接触压力的分布状况，结果表明，由于转子柔性变形，定转子接触面积很小，造成接触压力高度集中；然后考虑通电后定转子的动态接触特性，建立三维动态接触模型，通过在定子中性面上施加行波运动，得到定子齿表面质点的斜椭圆运动及其与转子的接触状态，比较了空载和堵转情况下定转子接触表面质点的运动及接触压力分布，结果表明，负载转矩对接触压力分布有一定影响；将理论分析结果与实验数据进行对比，验证了模型的有效性。然后，设计了中空环形行波超声波电机的结构，对定子进行了结构动力学分析，根据所设计的电机结构尺寸制作样机，并对样机进行了阻抗-频率特性测试、定子振动响应测试和电机的输出性能测试，测试结果表明：定子两相的阻抗-频率特性曲线具备良好的一致性，预压力会使定子共振频率点略有升高；在相同的电压幅值下，定子振幅在共振频率点附近达到最大，越远离共振点振幅越小；而在相同的频率下，电压越大振幅也越大，电机空载转速随电压增大而近似线性增加。最后，针对所设计的中空超声波电机存在接触压力高度集中导致磨损严重、定子正交的工作模态出现频率偏差以及所能施加的预压力很有限的问题，对定转子结构和支撑方式进行了改进。实验测试结果表明，改进后的电机克服了原有样机存在的问题，输出性能得到明显改善。