環(huán)形行波超聲電機(jī)是目前市面上應(yīng)用最廣,發(fā)展最成熟,最具代表性的一類超聲電機(jī),其外形結(jié)構(gòu)和輸出方式均與傳統(tǒng)電磁電機(jī)較為相似,且得益于自身獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)如:低速大扭矩、高能量密度、結(jié)構(gòu)緊湊、控制優(yōu)良、斷電自鎖、無電磁干擾等,而飽受科研愛好者們的關(guān)注。經(jīng)典環(huán)形行波超聲電機(jī)僅設(shè)計(jì)有一個(gè)定子和一個(gè)轉(zhuǎn)子,依靠定子下表面黏貼的壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激勵(lì)定子質(zhì)點(diǎn)做高頻振動(dòng),并在預(yù)緊力和摩擦力的作用使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。然而,面對(duì)日益增大的應(yīng)用要求,環(huán)形行波超聲電機(jī)性能不足已成為制約電機(jī)發(fā)展的主要障礙�；谠黾觿�(dòng)力源的多重定轉(zhuǎn)子組合電機(jī)的出現(xiàn)為提升電機(jī)性能提供了很好的思路,但多重定轉(zhuǎn)子組合電機(jī)在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配調(diào)試?yán)щy、多重動(dòng)力性能一致性難以保證等諸多方面的問題導(dǎo)致其應(yīng)用受限。因此,探尋靈巧、方便易調(diào)的動(dòng)力源增加方式來提升電機(jī)性能是急需解決的重要問題。本文借鑒了目前提高超聲電機(jī)性能方面的眾多研究成果,以一款雙諧振環(huán)形行波超聲電機(jī)設(shè)計(jì)及優(yōu)化為內(nèi)容,展開了對(duì)新電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型分析、參數(shù)優(yōu)化等技術(shù)的研究。主要工作內(nèi)容大致包括以下幾個(gè)方面:1.研究了經(jīng)典環(huán)形行波超聲電機(jī)的相關(guān)理論,利用解析法從振子振動(dòng)特性和定轉(zhuǎn)子接觸特性兩大方面分析了影響超聲電機(jī)性能的關(guān)鍵因素,為后續(xù)電機(jī)設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化指明方向。詳細(xì)介紹了定子振動(dòng)模型、常用的摩擦接觸模型尤其是Hertzian接觸模型在超聲電機(jī)性能分析中的使用,為后續(xù)電機(jī)模型建立提供了分析方法。2.介紹了雙諧振超聲電機(jī)設(shè)計(jì)理念,分析了雙諧振超聲電機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案及雙振子結(jié)構(gòu),研究了雙行波形成原理,并運(yùn)用質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)合成理論和Hertzian接觸模型對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模。在機(jī)理特點(diǎn)及數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上,分析了雙諧振電機(jī)的性能優(yōu)勢(shì)及電機(jī)性能決定因素,指出后續(xù)電機(jī)性能優(yōu)化方向。3.基于組合算法的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。利用靈敏度分析、有限元方法、自適應(yīng)遺傳算法對(duì)定子振動(dòng)特性參數(shù),如振幅、模態(tài)頻率、轉(zhuǎn)速系數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化。靈敏度分析、有限元方法的使用解決了多參數(shù)、非線性等優(yōu)化難題,相關(guān)聯(lián)目標(biāo)組合適應(yīng)度函數(shù)的使用解決了多目標(biāo)優(yōu)化難題。4.基于多目標(biāo)算法的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。在優(yōu)化后的定子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,尋找最優(yōu)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來與定子形成組合以獲取最佳的電機(jī)性能。文中以定子結(jié)構(gòu)參數(shù)及振動(dòng)特性為已知量,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合轉(zhuǎn)子參數(shù)與電機(jī)輸出性能的網(wǎng)絡(luò)模型,后在擬合網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上利用多目標(biāo)優(yōu)化算法NSGA-Ⅱ?qū)δ繕?biāo)量進(jìn)行尋優(yōu)搜索,而根據(jù)Pareto最優(yōu)解集獲取了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)方案。5.搭建了雙諧振環(huán)形行波電機(jī)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)并制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī),對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論建模、性能分析、參數(shù)優(yōu)化等仿真分析結(jié)果進(jìn)行綜合性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:雙諧振電機(jī)雙驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)獲得的最大轉(zhuǎn)速為單驅(qū)動(dòng)定子時(shí)的1.59倍,最大扭矩為單驅(qū)動(dòng)定子時(shí)的1.28倍,最大功率為單驅(qū)動(dòng)定子時(shí)的1.62倍,同時(shí),在“和”運(yùn)動(dòng)時(shí),同一輸出扭矩下,雙驅(qū)動(dòng)時(shí)電機(jī)性能可達(dá)到約90%以上的單驅(qū)動(dòng)定子與單驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子電機(jī)性能之和,“差”運(yùn)動(dòng)時(shí),也有較明顯的差速效果。
【學(xué)位單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP183;TM359.9
【部分圖文】：

圖 1-1 Shinsei 公司研發(fā)的環(huán)形行波超聲電機(jī)type traveling wave ultrasonic motor developed by同樣具備超聲電機(jī)的諸多應(yīng)用特點(diǎn)，其突湊，扭矩密度大

(a) 環(huán)形行波超聲電機(jī) (b) 環(huán)形行波超聲電機(jī)應(yīng)用于相機(jī)鏡頭圖 1-2 環(huán)形行波超聲電機(jī)在相機(jī)調(diào)焦系統(tǒng)中的應(yīng)用. 1-2Application of rotary type traveling wave ultrasonic motor in camera focusing sys間機(jī)器人

SA)將超聲電機(jī)應(yīng)用于太空機(jī)器人，并發(fā)明了空間微操作器 MicroArm I，使用0.05N m的環(huán)形行波超聲電機(jī)，MicroArm II 使用了三個(gè)扭矩為0.68N m和一.11N m的超聲電機(jī)，相比于同樣功能的電磁電機(jī)，其重量輕了 40%。日本也于太空機(jī)械手的超聲電機(jī)，圖 1-3 所示為裝有 20 個(gè)超聲電機(jī)的太空機(jī)械手。

【參考文獻(xiàn)】

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1 蔣春容;張津楊;董曉霄;張小蓮;;中空環(huán)形行波超聲波電動(dòng)機(jī)赫茲接觸模型[J];微特電機(jī);2015年10期

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本文編號(hào)：2815653