直线超声电机的摩擦磨损、微观接触分析和建模

直线超声电机利用定、动子在接触界面上的摩擦作用驱动动子作直线运动。接触界面的特性（表面微观形貌、分形维、粗糙度、材料硬度和弹性模量等）直接影响直线电机的输出特性和摩擦磨损特性。现有的理论和方法基于理想光滑接触表面建立超声电机定、动子的接触模型，研究其输出特性和摩擦磨损特性，尚未有能够有效用于超声电机优化设计和控制的动力学理论模型和摩擦磨损的估计方法。本项目通过实验研究直线超声电机定、动子接触层的表面特性以及研究摩擦材料的磨损率随表面特性和运行条件的变化规律；利用分形几何给出粗糙表面的形貌模拟；结合微观接触（力学）理论，提出反映接触界面特性的定、动子相互接触的微观接触模型；探索定、动子在粗糙接触面上相互作用的机理；分析定、动子在接触界面上的相互作用的方式和受力状态；以便建立直线超声电机动力学模型，提出直线超声电机摩擦磨损的估计方法。

开展直线超声电机的摩擦磨损、微观接触分析和建模研究。研究内容有，通过实验研究接触层的表面特性以及研究摩擦材料的磨损率随表面特性和运行条件的变化规律；建立粗糙表面的形貌模拟；结合微观接触（力学）理论，提出反映接触界面特性的定、动子相互接触的微观接触模型；探索定、动子在粗糙接触面上相互作用的机理；分析定、动子在接触界面上的相互作用的方式和受力状态；建立其动力学模型。取得成果如下：.（1）提出并研制了直线超声电机摩擦磨损试验系统，包含设计了数据采集和环境可控功能。利用该装置研究了不同的温度湿度环境下，磨损量随运行条件的变化规律，研究了环境温度和湿度对其摩擦系数的影响规律；研究了不同材料的定子表面微结构对摩擦系数、磨损量和输出特性的影响规律。实验得到磨损量随时间的变化规律；摩擦系数和磨损量在各种运行环境、运行条件下的变化规律。试验也表明，定子表面微结构有利于保持摩擦系数的稳定性。.（2）提出并研制了基于虚拟仪器技术的直线超声电机测试系统，该系统能够测试和分析直线超声电机性能的瞬态特性和机械特性。所研制的直线超声电机测试系统对电机的瞬态特性和机械特性实验结果表明，测试系统能够用于电机的机械特性测试和分析。.（3）给出定/动子接触表面的模拟模型，再利用赫兹微观接触模型建立其微观力学模型。通过该微观力学模型得到定/动子的预压力和接触变形量和真实接触面积之间的关系。.（4）提出了一种新的直线超声电机，它由两个压电振子组成。两振子在预压力的作用下相互接触，且仅分别利用一项振动模态，作同频、相位相差π/2、相互垂直的振动，共同驱动滑块作直线运动。该电机在峰峰值电压为200V、预压力为70N的条件下，最大输出力达到94.2N；而当预压力为30N时，最大输出速度达到732mm/s。.（5）建立了驻波型直线超声电机的整机动力学模型，并给出解析解。利用该模型得到了电机输出力，输出速度等机械特性与电机的几何结构以及预压力、电压等的关系。.发表论文14篇，申请专利5项，授权专利7项。培养研究生11名，参加国内外会议7届。.在本项研究的推动下，其电机结构设计方面也取得进展，设计了一系列的直线超声电机。其中，60LumV型电机经过中国计量科学院检测，其定位精度分别为±0.18微米，重复精度分別为±0.1微米。成果获得2012年（教育部）高等学校科学研究优秀成果奖技术发明一等奖。