弹性叶片式径弯模态转换型超声波电机接触模型研究

The power output of ultrasonic motor is realized based on the contact mechanisms occurring at the interface between stator and rotor. Currently, the researches on contact models mainly contribute to traveling wave ultrasonic motor with continuous contact mechanism. The contact characteristics in mode conversion ultrasonic motor with intermittent contact still remain unclear. The focus of this project is to investigate the contact model of a radial-bending mode conversion ultrasonic motor with elastic blades proposed in this project. Firstly, the structural dynamics of the stator is analyzed in order to achieve both good mechanical coupling between the piezoelectric ceramics and the stator elastomer and effective conversion from radial vibration mode to bending vibration mode. Secondly, the static contact model when the motor is not powered is established to analyze the static contact characteristics between stator and rotor. The impact of the contact between stator and rotor on the stator vibration is investigated by combination of the static contact model and the structural dynamic model, and the structure of elastic blades is then optimized. Thirdly, the dynamic contact model is established when the motor is powered and intermittent contact occurs, according to which the intermittent contact characteristics of the contact surface is analyzed and the motor structure is optimized. The frictional transmission efficiency and the motor performance are then improved. Finally, the analysis, design and optimization methods for the contact mechanisms of the radial-bending mode conversion ultrasonic motor are proposed, which also provide references to analyze and optimize the contact mechanisms for other types of mode conversion ultrasonic motors.

超声波电机的能量输出需要定转子间的接触摩擦耦合来实现。目前对接触模型的研究以连续接触的行波超声波电机为主，而断续接触的模态转换型超声波电机的接触特性尚不明了。本项目提出一种弹性叶片式径弯模态转换型超声波电机，着重研究其定转子的接触模型。首先分析定子结构动力学模型，实现压电陶瓷和定子弹性体之间良好的机械耦合，并使径向振动有效地转换为弯曲振动。在此基础上，考虑电机不通电时的接触特点，建立定转子静态接触模型，分析定转子间的静态接触特性，并结合结构动力学模型，分析定转子间的接触对定子振动的影响，优化弹性叶片的结构。接着，考虑电机通电后定转子断续接触特点，建立定转子动态接触模型，分析接触界面的断续接触特性，优化电机的结构，提高摩擦传动效率和电机的输出性能，最终建立起一套径弯模态转换型超声波电机接触特性的分析、设计和优化方法，并为其他型式的模态转换型超声波电机的接触分析和优化提供参考依据。

超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应和超声振动，通过摩擦来直接驱动转子或滑块，具有动态响应快、低速大转矩、断电自锁等优点。超声波电机结构设计灵活，利用不同的压电陶瓷极化形式和弹性体的振动模式，可以构造出不同结构的超声波电机，模态转换型超声波电机是其中的一种。模态转换型超声波电机仅需一组压电陶瓷单相激励，因此更容易实现小型化设计。然而模态转换型超声波电机仍然存在输出转矩偏低的问题，而且其定转子接触摩擦特性和机理尚不明了。本研究对径弯模态转换型超声波电机的动力学模型进行研究，分析定子的振动特性，在此基础上，建立定转子的接触摩擦模型，对定转子间的接触特性进行深入分析，并通过实验研究验证理论模型和优化电机的性能。.在定子振动特性分析中，建立了电机定子的三维有限元模型，对定子进行了模态分析，得到了定子工作模态的振型以及对应的共振频率，在此基础上，进一步对定子进行谐响应分析，研究定子在外加电压作用下的径向振幅，分析结果表明，定子外表面的径向振幅一致性较好。在定转子的接触特性分析中，考虑了定子的振动、定转子接触摩擦传动以及转子转矩形成过程，进而建立了定转子连续接触摩擦传动模型，基于该模型分析了不同的参数对电机输出性能的影响，从而选取了电机的最优结构参数。最后制作了电机样机，利用激光测振仪测量了定子工作模态的共振频率，以及定子在特定的外加电压作用下的径向振幅，搭建了电机的输出特性测试平台，测量了电机的转矩-转速特性，实验测试结果与理论分析结果相吻合，验证了理论模型的正确性。所制作的径弯模态转换型超声波电机样机外径为32mm，定子工作模态的共振频率为73.3kHz，当施加的电压幅值为100V，频率为74kHz时，电机的空载转速为45r/min，堵转力矩为0.4Nm。相比于同尺寸的超声波电机，本研究的径弯模态转换型超声波电机的输出转矩明显增大。本项目的研究为模态转换型超声波电机的设计、分析和优化提供了理论依据。