行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)產(chǎn)業(yè)化中的若干關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、本課題是國家自然基金和廣東聯(lián)合基金項(xiàng)目“精密電子制造裝備關(guān)鍵理論與技術(shù)研究”（No. U0934004）的子課題之一，研究對(duì)象是行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的若干關(guān)鍵技術(shù)。
　　行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)是最具代表性的一類超聲電機(jī)，在外部形狀和輸出方式等方面與傳統(tǒng)電磁電機(jī)比較接近，而直接驅(qū)動(dòng)的運(yùn)行機(jī)理又使其具備了許多優(yōu)良特性，是目前超聲電機(jī)應(yīng)用最廣泛的一種，因而也是產(chǎn)業(yè)化前景最好的一類產(chǎn)品。超聲電機(jī)作為多個(gè)學(xué)科交叉融合的高新技術(shù)產(chǎn)品，

2、其發(fā)展歷史相對(duì)較短，在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中還遇到許多問題。本文以研制高輸出性能、低制造成本的超聲電機(jī)為最終目標(biāo)，深入研究了行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中的若干關(guān)鍵技術(shù)，主要研究內(nèi)容及其成果概括如下：
　?。?）分析了行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的運(yùn)行機(jī)理，指出了超聲電機(jī)在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中需要研究定子、驅(qū)動(dòng)界面以及輸出轉(zhuǎn)矩的提高等方面的問題。
　?。?）針對(duì)超聲電機(jī)定子的機(jī)電耦合關(guān)系，應(yīng)用有限元方法分析了定子的激勵(lì)效果。通過行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)兩種

3、典型定子的分析比較，總結(jié)了齒槽斜角對(duì)定子振動(dòng)特性的影響。為解決定子批量制造中的兩相工作頻率一致性問題，分析了影響定子工作頻率的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，提出了齒面徑向倒角的調(diào)節(jié)頻率方法。
　　（3）為實(shí)現(xiàn)超聲電機(jī)定子的批量生產(chǎn)，提出用先進(jìn)電子制造中的回流焊方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的膠粘高溫固化方法。根據(jù)定子一體化聯(lián)接的實(shí)際要求，首次設(shè)計(jì)和搭建了超聲電機(jī)定子的回流焊試驗(yàn)系統(tǒng)，完成了定子彈性體/壓電陶瓷片的快速聯(lián)接。試驗(yàn)研究了回流焊多個(gè)因素對(duì)焊接定子性能的影響

4、，理論分析了直接關(guān)系到定子振動(dòng)特性的聯(lián)接層參數(shù)，還進(jìn)一步研究了在六種焊料下焊接界面的力學(xué)性能與焊接后定子的振動(dòng)特性，指出了影響焊接定子性能的主要因素之一是焊料材料。
　?。?）根據(jù)超聲電機(jī)工作時(shí)定子微幅/高頻振動(dòng)的特點(diǎn)，理論分析了超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)界面輸出性能的影響因素，建立了基于表面形貌的等效剛度模型，總結(jié)了表面形貌參數(shù)對(duì)電機(jī)輸出性能的影響，歸納了減小驅(qū)動(dòng)界面粘著區(qū)從而增加輸出性能的主要途徑，首次發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子腹板剛度系數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)界面壓力的

5、影響。試驗(yàn)研究了交聯(lián)超高分子量聚乙烯復(fù)合材料的改性制備對(duì)力學(xué)參數(shù)的影響。從表面形貌的等效剛度模型、摩擦材料層的剪切變形、轉(zhuǎn)子剛度的組合匹配等理論方面進(jìn)行了分析，探討了驅(qū)動(dòng)界面采用這種新型摩擦材料能夠提高超聲電機(jī)輸出性能。
　?。?）針對(duì)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)組合方式目前所存在的一系列問題，建立了雙定/轉(zhuǎn)子超聲電機(jī)的軸向振動(dòng)模型，論證了兩組定/轉(zhuǎn)子之間發(fā)生軸向振動(dòng)耦合與振動(dòng)能量傳遞的可能性。按照振動(dòng)隔離理論，提出并研制了共階梯軸雙定/轉(zhuǎn)

6、子超聲電機(jī)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了該電機(jī)與傳統(tǒng)超聲電機(jī)相比具有明顯的優(yōu)越性：在電機(jī)轉(zhuǎn)速、瞬態(tài)特性等輸出性能保持不變的情況下，輸出轉(zhuǎn)矩提高了80％，功率密度提高了43.1%。對(duì)于運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定的共階梯軸雙定/轉(zhuǎn)子超聲電機(jī)，研究了組合超聲電機(jī)中的周向輸出合成機(jī)理，建立了基于雙路行波的周向輸出模型，驗(yàn)證了超聲電機(jī)對(duì)不同幅值、頻率、相位的雙路行波具有良好的容差性，基于雙路行波的輸出轉(zhuǎn)矩合成效率始終高達(dá)90%。通過開展超聲電機(jī)的真空、高/低溫復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)與