定转子双谐振环形行波超声电机基础研究

Comparing to the eletromagnetic motors, ultrasonic motors have shown a limited output power and low efficicency due to the friction drive between the stator and rotor, which restricts the applications of ultrasonic motors to low power requirements and non-continuous operations. To make use of the characteristics of high drive efficiency with wide range of power outputs and rotation speeds of gear drive, a principle investigation of annular travelling wave ultrsonic motors with double resonant stator and rotor is proposed. This proposal aims to realize a type of gear drives between the stator and rotor with meshing travelling waves, which are generated on the surfaces of resonant stator and rotor.However, what kinds of extension of meshing travelling waves with the orders of micrometer wave amplitudes are similar to the gear drive,is an open question. To answer this question, this proposal will investigate the mechanism of power output variation with different vibration modes and amplitudes, the design study of rotor based on the vibration inverse problems,the control methodology under meshing travelling waves between stator and rotos, and related experiemntal study. Based on these investigations,we wil design and fabricate an annular travelling wave ultrasonic motor,which will be further used to verify the feasibility of gear drive between the stator and rotor. This project will provide theory and technology basis for improving the performance and exploiting new applications of ultrasnic motors.

受定转子之间摩擦传动的限制，现有超声电机和传统电磁型电机相比，工作效率低，输出功率小。这将超声电机的应用限制在对输出功率要求不高和非连续工作的场合。为利用齿轮传动效率高、适用功率和圆周速度范围广的特点，本申请提出定转子双谐振环形行波超声电机基础研究的课题,拟在处于谐振状态附近的定子和转子中都激发出行波，通过定转子之间行波轮廓的啮合，实现定转子之间的类齿轮传动。但是环形行波超声电机定转子表面行波波峰一般只在微米数量级，定转子行波轮廓啮合能在多大程度上实现齿轮传动的效果，却是一个问题。为此，本申请拟通过振型、振幅对定转子双谐振超声电机输出功率影响机理的仿真研究、基于振动反问题的转子设计研究、定转子行波轮廓啮合下的控制方法研究，及相应的实验研究等，设计、制作出定转子双谐振环形行波超声电机，并实验验证定转子类齿轮传动的可行性。本课题将为提高超声电机输出特性，拓展新应用，提供理论和技术基础。

受定子行波与转子弹性平板摩擦传动的限制，现有行波超声电机和传统的电磁型电机相比，工作效率较低，输出功率较小。这将超声电机的应用限制在对输出功率要求不高和间歇式工作场合。本项目将旋转行波超声电机定子和转子之间的行波与弹性平板摩擦驱动接触，改进为定子行波和转子行波啮合驱动接触，提高旋转行波超声电机输出转速100%，输出力矩40%；在旋转行波超声电机定子中，引入水冷结构，实现旋转行波超声电机连续48小时稳定运转，输出功率稳定在3.3瓦。本项目按原计划进行，无内容调整和变动，主要研究内容和重要结果叙述如下：...1、机理研究方面：在有限元定转子振幅计算的基础上，利用Hertz接触模型，通过定转子接触力的分析，建立定、转子双谐振行波啮合超声电机的输出力矩表达式；利用定转子振型匹配，给出定转子行波接触长度与电机输出转速、输出力矩的关系；利用灵敏度分析、有限元分析和遗传算法，根据振型匹配的结构优化需要，建立了一套完整、实用的转子参数优化设计方法，为定转子行波啮合结构超声电机的优化设计提供可能。. 2、研制成功定转子旋转行波啮合超声电机，提高旋转行波超声电机输出转速100%，输出力矩增加40%。本研究成果为提高旋转行波超声电机传动效率和输出特性，降低定转子之间摩擦损耗、延长工作寿命，提供了一种简单、可靠的实现方法，为扩大行波超声电机的应用领域提供了可能。. 3、为实现旋转行波超声电机稳定运转，本项目将水冷散热结构引入到行波超声电机中，设计、制作了行波超声电机水冷实验样机，在实验室条件下已实现旋转行波超声电机连续48小时连续运转，电机温升维持在22 °C左右，输出功率恒定为3.3瓦。本研究结果改变了传统旋转行波超声电机只能间歇工作的限制，使旋转行波超声电机连续稳定工作成为可能，将扩展旋转行波超声电机从间歇工作领域到连续工作的应用领域。. 4、本项目发表学术论文8篇，其中影响因子1以上的国际刊物论文4篇；授权中国发明专利2件；本项目培养博士生4人、硕士生4人。