1rpm以下转速压电谐波电机的研究

传统行波超声电机的低速平滑性能尚不能满足特定领域对于1rpm以下转速超声电机的需要。结合谐波传动理论与超声电机理论，申请者提出研究1rpm以下转速压电谐波电机。首先研究行波超声电机速度稳定性的影响因素；其次，建立考虑摩擦副粗糙度时定、转子间接触模型，研究摩擦副粗糙度、定转子间摩擦磨损对超声电机输出性能及速度平滑性影响，并寻找合适的摩擦材料；再次，为弱化摩擦副粗糙度对振子振幅和振动频率的影响，提出基于谐波摩擦减速的压电谐波电机，研究谐波传动与超声电机间的结构匹配及谐波传动对电机速度平滑性的影响；最后，进行压电谐波电机样机的输出特性及速度平滑性实验，对比在增加谐波减速环节前后速度的平滑性，并建立低速压电谐波电机速度平滑性理论。本课题的研究既满足了特定环境对低速超声电机的迫切需要，又开拓了压电电机设计的新思路，具有重要的研究价值。

已完成项目研究的全部内容和任务，达到项目预期的研究目标。超声电机和传统的谐波电机虽然具有很多优点，但在航空航天、机器人、微机电系统等要求低速平滑性能高的领域还不能满足应用，而1rpm以下转速压电谐波电机在此具有着良好的应用前景。在执行本项目以前，国内外对该技术研究缺乏深入和全面的了解。在本基金的资助下，本项目主要研究内容包括： 1）首次提出双定子超声波发生器压电谐波电机，该电机由超声波发生器和谐波摩擦系统组成，超声波发生器包括双定子超声波驱动器和均布在其外圆周上的3个滚珠； 2）双定子超声波驱动器为双定子行波超声电机，设计为双定子驱动有效的提高了电机的输出特性，分析了行波超声电机速度稳定性的影响因素，通过有限元模态分析获得了其振动频率与振型；3）综合超声波发生器和刚轮对柔轮的影响，建立了包含波发生器与柔轮、刚轮与柔轮两个接触对的柔轮接触模型，分析了柔轮应力应变分布规律及其主要结构参数对其应力分布的影响；4）分析了压电谐波电机的驱动原理，研究了满足柔轮材料疲劳强度、最小传动比要求的柔轮最大径向变形规律，建立了柔轮最大径向变形和双定子行波超声电机输出力矩相匹配的数学模型，研究了考虑摩擦副粗糙度影响的柔轮最大变形的变化规律；5）制作样机并进行实验，测得样机的工作谐振频率为25.82kHz，驱动电压峰峰值为300V时，最大空载转速为0.72rpm，最大堵转力矩为3.6N.m；6）首次提出了换能器压电波发生器谐波电机，该电机由换能器压电波发生器和谐波摩擦系统组成，其中换能器波发生器包括沿中心基座圆周均布的6组两级变幅杆纵振换能器和2级杠杆弹性位移放大机构，研究了其工作原理，通过解析法和有限元法分析了位移放大机构的放大倍数；7）首次提出换能器超声波发生器谐波电机，该波发生器由对称分布的纵弯复合换能器驱动的行波超声电机和滚柱组成，完成了换能器纵振频率、弯振频率和定子环之间的频率兼并，获得了定子环上质点的输出位移及运动轨迹。本项目探索了提高超声电机低速平滑性的方法，研究了不同波发生器驱动的压电谐波电机的新结构及其工作原理，其研究成果既满足了特定环境对低速超声电机的迫切需求，又拓展了超声电机和谐波电机研究的新思路及应用范围，具有重要的科学意义及研究价值。