双谐振环形行波超声电机设计及优化

发布时间：2020-09-10 09:19

　　环形行波超声电机是目前市面上应用最广,发展最成熟,最具代表性的一类超声电机,其外形结构和输出方式均与传统电磁电机较为相似,且得益于自身独特的性能优势如:低速大扭矩、高能量密度、结构紧凑、控制优良、断电自锁、无电磁干扰等,而饱受科研爱好者们的关注。经典环形行波超声电机仅设计有一个定子和一个转子,依靠定子下表面黏贴的压电陶瓷的逆压电效应激励定子质点做高频振动,并在预紧力和摩擦力的作用使转子转动。然而,面对日益增大的应用要求,环形行波超声电机性能不足已成为制约电机发展的主要障碍。基于增加动力源的多重定转子组合电机的出现为提升电机性能提供了很好的思路,但多重定转子组合电机在结构复杂、装配调试困难、多重动力性能一致性难以保证等诸多方面的问题导致其应用受限。因此,探寻灵巧、方便易调的动力源增加方式来提升电机性能是急需解决的重要问题。本文借鉴了目前提高超声电机性能方面的众多研究成果,以一款双谐振环形行波超声电机设计及优化为内容,展开了对新电机结构设计、模型分析、参数优化等技术的研究。主要工作内容大致包括以下几个方面:1.研究了经典环形行波超声电机的相关理论,利用解析法从振子振动特性和定转子接触特性两大方面分析了影响超声电机性能的关键因素,为后续电机设计和性能优化指明方向。详细介绍了定子振动模型、常用的摩擦接触模型尤其是Hertzian接触模型在超声电机性能分析中的使用,为后续电机模型建立提供了分析方法。2.介绍了双谐振超声电机设计理念,分析了双谐振超声电机的整体结构设计方案及双振子结构,研究了双行波形成原理,并运用质点运动合成理论和Hertzian接触模型对电机进行建模。在机理特点及数学模型分析的基础上,分析了双谐振电机的性能优势及电机性能决定因素,指出后续电机性能优化方向。3.基于组合算法的定子结构参数优化。利用灵敏度分析、有限元方法、自适应遗传算法对定子振动特性参数,如振幅、模态频率、转速系数等进行优化。灵敏度分析、有限元方法的使用解决了多参数、非线性等优化难题,相关联目标组合适应度函数的使用解决了多目标优化难题。4.基于多目标算法的转子结构参数优化。在优化后的定子结构基础上,寻找最优的转子结构来与定子形成组合以获取最佳的电机性能。文中以定子结构参数及振动特性为已知量,采用BP神经网络拟合转子参数与电机输出性能的网络模型,后在拟合网络的基础上利用多目标优化算法NSGA-Ⅱ对目标量进行寻优搜索,而根据Pareto最优解集获取了最优的结构参数方案。5.搭建了双谐振环形行波电机驱动平台并制作了实验样机,对结构设计、理论建模、性能分析、参数优化等仿真分析结果进行综合性的实验研究。实验结果表明:双谐振电机双驱动时电机获得的最大转速为单驱动定子时的1.59倍,最大扭矩为单驱动定子时的1.28倍,最大功率为单驱动定子时的1.62倍,同时,在“和”运动时,同一输出扭矩下,双驱动时电机性能可达到约90%以上的单驱动定子与单驱动转子电机性能之和,“差”运动时,也有较明显的差速效果。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP183;TM359.9
【部分图文】：

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【参考文献】