考虑电磁-压电混合驱动机理的多自由度电机的基础理论和实验研究

The application of electromagnetic and piezoelectric hybrid drive in multi-degree-of-freedom motor has unique advantages, and it is the improvement and development of the existing multi-freedom actuating mechanism. An electromagnetic- piezoelectric hybrid driven mechanism based multi-degree-of-freedom motor's design theory and experimental method are studied, and the electro-magneto-solid-heat coupling analysis and dual sources positioning drive control technology are applied further in the motor, in order to construct high reliability and practical integration of bionic driving parts from the structure and performance aspects. The main research contents include: the mechanism and characteristic analysis of piezoelectric 3D actuating; the key structure parameters' optimization and non parametric modeling for the actual load conditions; the construction of electro-magneto-solid-heat coupling models, and exploring the coupling mechanism and influence; building the complete mechanical system model considering the coupling factors, and putting forward corresponding combined control and torque distribution strategy; analysis of rotor motion characteristics under different supporting patterns and lubrication conditions with the position detection method; the drive control system design and the experimental meyhods research. This study breaks through the traditional framework and the new concept of electromagnetic piezoelectric hybrid drive is adopted to research and exploration, the research results will play a significant role in promoting innovation for the in-depth research and practical applications of multi-degree-of-freedom motor and bionic driving, which provides the theoretical and experimental foundation for the interdisciplinary research of this kind of motors.

电磁与压电混合驱动在多自由度电机中的应用具有独特优势，是现有多自由度致动机理的改进和发展。研究一种基于电磁-压电混合驱动机理的多自由度电机设计理论与实验方法，并进一步将电-磁-固-热耦合分析和双源定位驱动控制技术应用在该电机中，以期从结构和性能上构造高可靠性、实用化的一体化仿生驱动部件。研究内容主要包括：压电三维致动的机理与特性分析；面向实际载荷条件下关键结构参数的优化与非参数建模；构建电-磁-固-热耦合模型，探讨耦合机理与影响；建立考虑耦合因素的完整转子系统力学模型，提出相应的复合控制及转矩分配策略；结合位置检测方法来分析不同支承模式与润滑条件下的转子运动特性；驱动控制系统的设计和实验方法的研究。本研究突破传统框架，以电磁-压电混合驱动的全新概念进行研究与探索，研究成果将对多自由度电机和仿生驱动的深入研究与实际应用起到显著的创新推动作用，为该类电机的交叉研究提供理论与实验基础。

随着科学技术的不断发展，单自由度电机已不能满足机电系统进一步发展的需求。而多自由度电机作为一种高集成度、体积小、定位控制精度高的特种电机，适合应用于仿生关节、医疗器械和多自由度运动平台等，已成为一个新的研究热点。压电驱动的多自由度电机具有低噪声、小型轻量、输出特性好、运动实现形式多样等特点，适合工作在低速大扭矩场合，电磁驱动的多自由度电机驱动控制原理成熟，输出范围宽、寿命较长，将电磁驱动和压电驱动两种方式结合起来，提出了一种电磁压电混合驱动多自由度电机的机制。通过协调二者的驱动方式来提高电机的控制精度和运行的可靠性，既具有电磁驱动的高速大推力，又具有压电驱动的高动态响应和高控制精度。项目通过分析电机的结构和工作原理，并采用有限元法，建立了电机多物理场耦合有限元仿真模型。对电机定、转子进行模态分析、谐响应分析以及磁场分析等。对压电行波定子的齿高、弹性体厚度等进行参数化分析，建立了永磁体的磁场模型，分析了不同充磁方式下永磁体的磁场分布情况以及不同永磁体厚度的气隙磁通密度分布情况，实现了电机结构的优化设计。同时由于超声电机的依靠摩擦带动的特殊驱动方式，分析了电机在运行过程中的热效应以及成热原因。针对压电驱动机构，提出了一种半解析法，基于等效电路法建立了电机压电定子的导纳圆与阻抗圆模型，通过有限元仿真得到阻抗圆数值并定量计算出等效电路中的电学参数，并实现了阻抗匹配。采用解析法分别建立了压电定子与转子间的摩擦驱动模型，以及电磁定子与转子永磁体的电磁驱动模型，根据电机的结构特点建立混合驱动模型。最后，研制样机并对样机进行机械输出特性试验。同时对多自由度电机在不同领域的应用继续进行了深入研究。该项目的研究工作将两种电机的功能巧妙结合，使得多自由度电机运行更加精准，适合于不同的应用场合，使电机驱动和控制能力更强，为先进的复杂运动电机研制开发和实用化奠定了理论和实验基础，对学科的发展起到积极的促进和推动作用。