精密驱动与传动-以超声电机为例

精密驱动与传动

---以超声电机为例太行大推力涡扇发动机直升机减速器风力发电太阳能发电谐波齿轮RV传动减速器矿山机械齿轮工程机械月球探测车高分辨率对地观测卫星航空作动器发动机直驱泵变体飞行器驱动与传动多介质多形式高效驱动与传动精密驱动与传动基于功能材料的新型驱动驱动传动负载功能：原动机，产生基本运动、动力。

(电机、内燃机、液压泵、液力耦合器、磁、电场、功能材料等)功能：运动、能量变换、传递、分配。(机械传动、液体传动、气体传动等)高效、精密、复合、可靠驱动研究范围多介质多形式高效驱动与传动精密驱动与传动基于功能材料的新型驱动精密驱动与传动机械传动与驱动对机械学科的影响机构学与机械动力学机械传动与驱动复杂机电系统集成科学机械的表面/界面科学高精度、数字化制造高性能洁净成形制造机械的制造与运行参数及其精度测量机械结构与系统的安全服役理论生机电系统与仿生机械高能束与特种能场制造微纳机械学与微纳制造机电装备“机械系统创新”的四个支撑领域之一以超声电机为例环形行波型USM的定子和转子

工作原理：对极化后的压电陶瓷元件施加—定的高频交变电压，压电陶瓷随着高频电压的幅值变化而膨胀或收缩，从而在定子弹性体内激发出超声波振动，这种振动传递给与定子紧密接触的摩擦材料以驱动转子旋转。超声电动机将电致伸缩、超声振动、波动原理这些毫不相干的概念与电机联系在一起，创造出一种完全新型的电动机。(1)低速大转矩(2)体积小、重量轻

(3)反应速度快，控制特性好由于超声电动机具有电磁电机所不具备的许多特点，尽管它的发明与发展仅有20多年的历史，但在宇航、机器人、汽车、精密定位、医疗器械、微型机械等领域已得到成功的应用。欧洲将超声波电机用于实验平台及微动设备，如1986年获Nobel物理学奖的扫描隧道显微镜(STM)日本Canon公司将超声电机用于其EOS620/650自动聚焦单镜头反射式照相机中清华大学的周铁英等申请了国内第一项关于超声电机的发明专利，并且研制了直径为1mm的微型圆柱式超声电机浙江大学研制了一种纵/扭型超声电机吉林大学在压电精密驱动技术方面获得的成果哈尔滨工业大学研制的超声电机专用摩擦材料已经满足了工程应用的需要南京航空航天大学赵淳生院士领导的科研团队USM与传统电磁式电机相比有无可替代的优点，但是它也存在一些问题：(1)控制困难:(2)寿命较短:(3)运行效率较低:控制困难控制困难90年代初，日本IzunoY和SenjyuT等人对超声电机的控制理论和控制方法进行了较为深入的研究，将自动化控制领域常用的模糊控制、遗传算法及自适应控制、预测控制等引入到超声电机控制中来，同时也推动了超声电机控制模型研究方面的进展，但他们较为偏重针对超声电机的强烈非线性及蠕变性方面的控制算法的仿真研究。N.Bigdeli

和M.Haeri

提出了基于Hammerstein结构的模型,该模型不但复杂,而且是由追踪和误差提取的,它并不适用于每个行波超声电机。Fazel

Bazrafshan

等研究了一个典型的旋转行波超声电机,提出了模糊Hammerstein型非线性模型结构,该结构由静态模糊模型与线性动态模型串联,方法计算量较大,通过反转静态非线性,模糊Hammerstein模型能够被集成到标准线性广义预测控制器。控制困难南航提出了一种超声电机频率自动跟踪控制技术,使超声电机转速的变化小于5%,而且研制了相应的二相驱动器。控制困难南航提出了一种超声电机频率自动跟踪控制技术,使超声电机转速的变化小于5%,而且研制了相应的二相驱动器。控制困难目前有许多关于非最佳控制策略的研究,但关于超声电机的控制策略,效率的最优控制策略的研究却很少。(2)寿命较短:提出新型压电陶瓷极化分区方案,研制出四相微型驱动器。(2)寿命较短:

Suresha

等采用微米-纳米无机填料构建的复合材料具有良好的力学性能和摩擦学特性。Molazemhosseini

等利用纳米二氧化硅和碳纤维制备了具有较好磨损特性的摩擦材料。哈尔滨工业大学曲建俊教授在超声电机梯度摩擦材料研究、摩擦建模、温度特性和接触界面摩擦解析模型等方面开展了研究工作,提出应从摩擦学、材料学等多学科角度研究适合超声电机的摩擦材料。但关于有机纳米粒子用于摩擦材料的研究罕有报道。(3)效率低下:复合激励行波超声电机定子和转子被视为刚性体，但是,一些细节没有考虑,如摩擦层的切形变,接触区域的粘/滑特点等。(3)效率低下:MoalandMinotti

提出一种弹性接触模型,假设定子是刚性体,将转子上的摩擦层视为分布式线性弹簧,将分布式弹簧—刚体用在定子和转子之间。(3)效率低下:东京工业大学精密智能实验室开发出了基于纵扭和纵弯复合型直线超声电机,激励采用压电陶瓷与金属片叠放形式,两个独立振动模态叠加,正反转一致性好。(3)效率低下:哈尔滨工业大学陈维山教授团队重点研究了纵振模态夹心式超声电机,并在此基础上研究了纵弯复合振动模态球型超声电机；南京航空航天大学赵淳生院士领导的团队也对此类型电机也进行研究,提出了一种孔式模态转换超声电机；清华大学周铁英教授研究团队提出纵弯扭三梁耦合振动超声电机结构；华侨大学洪尚任教授研究团队提出了一种斜槽式模态转换型纵扭超声电机。(3)效率低下:对国内外研究现状分析发现:1、复合模态行波超声电机的研究主要集中于圆环型行波超声电机,圆盘型行波超声电机较少;2、现阶段直径主要集中于45-100mm之间,圆环轴向弯曲振动振型中振幅不一致性,使得机械输出能力受到严重制约;(1)微型、集成式超声电机的研发;(2)表面波超声电机的研发;(3)用于超声电机新型材料(定子材料、摩擦材料、压电材料)的研发;(4)超声电机寿命和可靠性的研究;(5)USM非常环境(高/低温、振动/冲击、低气压)下的性能研究;(6)超声电机的