環(huán)形行波超聲電機是目前市面上應(yīng)用最廣,發(fā)展最成熟,最具代表性的一類超聲電機,其外形結(jié)構(gòu)和輸出方式均與傳統(tǒng)電磁電機較為相似,且得益于自身獨特的性能優(yōu)勢如: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)形行波超聲電機僅設(shè)計有一個定子和一個轉(zhuǎn)子,依靠定子下表面黏貼的壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)激勵定子質(zhì)點做高頻振動,并在預(yù)緊力和摩擦力的作用使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。然而,面對日益增大的應(yīng)用要求,環(huán)形行波超聲電機性能不足已成為制約電機發(fā)展的主要障礙。基于增加動力源的多重定轉(zhuǎn)子組合電機的出現(xiàn)為提升電機性能提供了很好的思路,但多重定轉(zhuǎn)子組合電機在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、裝配調(diào)試困難、多重動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)的動力源增加方式來提升電機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)形行波超聲電機設(shè)計及優(yōu)化為內(nèi)容,展開了對新電機結(jié)構(gòu)設(shè)計、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方面:1.研究了經(jīng)典環(huán)形行波超聲電機的相關(guān)理論,利用解析法從振子振動特性和定轉(zhuǎn)子接觸特性兩大方面分析了影響超聲電機性能的關(guān)鍵因素,為后續(xù)電機設(shè)計和性能優(yōu)化指明方向。詳細介紹了定子振動模型、常用的摩擦接觸模型尤其是Hertzian接觸模型在超聲電機性能分析中的使用,為后續(xù)電機模型建立提供了分析方法。2.介紹了雙諧振超聲電機設(shè)計理念,分析了雙諧振超聲電機的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案及雙振子結(jié)構(gòu),研究了雙行波形成原理,并運用質(zhì)點運動合成理論和Hertzian接觸模型對電機進行建模。在機理特點及數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上,分析了雙諧振電機的性能優(yōu)勢及電機性能決定因素,指出后續(xù)電機性能優(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)遺傳算法對定子振動特性參數(shù),如振幅、模態(tài)頻率、轉(zhuǎn)速系數(shù)等進行優(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)目標組合適應(yīng)度函數(shù)的使用解決了多目標優(yōu)化難題。4.基于多目標算法的轉(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性能。文中以定子結(jié)構(gòu)參數(shù)及振動特性為已知量,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)上利用多目標優(yōu)化算法NSGA-Ⅱ?qū)δ繕肆窟M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)形行波電機驅(qū)動平臺并制作了實驗樣機,對結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論建模、性能分析、參數(shù)優(yōu)化等仿真分析結(jié)果進行綜合性的實驗研究。實驗結(jié)果表明:雙諧振電機雙驅(qū)動時電機獲得的最大轉(zhuǎn)速為單驅(qū)動定子時的1.59倍,最大扭矩為單驅(qū)動定子時的1.28倍,最大功率為單驅(qū)動定子時的1.62倍,同時,在“和”運動時,同一輸出扭矩下,雙驅(qū)動時電機性能可達到約90%以上的單驅(qū)動定子與單驅(qū)動轉(zhuǎn)子電機性能之和,“差”運動時,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type traveling wave ultrasonic motor developed by同樣具備超聲電機的諸多應(yīng)用特點，其突湊，扭矩密度大

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

SA)將超聲電機應(yīng)用于太空機器人，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，MicroArm II 使用了三個扭矩為0.68N m和一.11N m的超聲電機，相比于同樣功能的電磁電機，其重量輕了 40%。日本也于太空機械手的超聲電機，圖 1-3 所示為裝有 20 個超聲電機的太空機械手。

【參考文獻】

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

2 時運來;趙淳生;;蝶形直線超聲電機優(yōu)化設(shè)計[J];振動.測試與診斷;2012年06期

3 武威;張鐵民;梁麗;;基于虛擬儀器的超聲電機瞬態(tài)特性測試系統(tǒng)[J];科學(xué)技術(shù)與工程;2012年18期

4 蘆小龍;趙淳生;;超聲電機定子熱機電耦合特性[J];振動工程學(xué)報;2011年05期

5 蘆小龍;丁慶軍;李華峰;趙淳生;;行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機的低溫特性[J];振動.測試與診斷;2010年05期

6 王宏祥;劉爽;何R

本文編號：2815653