定子表面织构化行波超声电机摩擦运行特性研究

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行波旋转超声电机因其结构紧凑、转矩密度大、无噪音等优点受到业界广泛青睐。特殊的摩擦驱动机理使电机运行效率较低、定/转子磨损难以避免,这成为制约其产业化发展的重要因素。定/转子间的摩擦驱动特性受到工作激励条件、定转子结构及表面形貌的影响,其中表面形貌对定/转子界面摩擦和驱动性能具有主导作用,进而对电机的输出特性产生重要影响。本文以自制的30型行波超声电机为研究对象,开展表面织构化定子与柔性转子的摩擦耦合及电机运行特性研究,具体内容概括如下:(1)为提高行波超声电机定/转子接触界面的转化效率,分别对定子弹性体的齿高与齿隙进行局部优化,确定定子弹性体尺寸;根据模态分析结果,选择频率范围与激励电压进行谐响应分析,绘制幅频曲线。设计并制备一种用于压电陶瓷与定子弹性体的一体化粘接夹具,分别完成压电陶瓷与定子弹性体、导线的一体化胶粘工艺。利用阻抗分析仪和激光微位移传感器对电机定子的电学特性和振幅进行测量,50Vp@41.9k Hz激励时定子振幅可达1μm,满足使用要求。(2)从定/转子接触应力分布和变形量大小的角度出发,运用有限元法对不同预压力下定/转子接触进行静力学分析。并对转子实施柔性设计,有效增大定/转子实际接触面积。当柔性部分宽度为0.2mm时,接触率增加27%。建立瞬态动力学定/转子接触有限元模型,分析不同时刻的接触应力分布,揭示不同的接触参数、定子齿结构以及齿面微织构对界面接触力的作用机制。对比凹坑与沟槽织构,发现沟槽织构更利于增大摩擦界面的驱动特性。(3)利用皮秒脉冲激光器表面微细加工技术,在定子接触表面制备微凹坑、微沟槽织构。通过改变激光功率、频率、重复次数和扫描速度,探明激光工艺对定子基体(2A12铝合金)表面织构几何构型的影响规律,为定子齿面微织构高效优质制备提供基础。利用维氏显微硬度计对定子织构处表面进行硬度测量,平均硬度达到288.3HV,约是基体的2倍,有望改善定子表面接触疲劳和动态磨损。(4)设计并搭建定/转子摩擦副易于更换的开放式预压力可控的行波超声电机性能测试平台。研制了一款低预压力与低压驱动的30型行波超声电机,探究不同预压力与激励电压下的机械性能。参照工艺试验结果,在定子接触表面制备微凹坑与微沟槽织构。与无织构定子对比,研究织构对电机机械性能的影响,发现当沟槽织构方向与转子转向垂直时,电机机械性能最优,堵转转矩约提升9.5%。对定/转子配副磨损形貌进行观察,发现磨损形式主要为黏着磨损与磨粒磨损。定子表面织构通过力栅作用,降低接触面积和实现多周期间断接触,改善定/转子动态摩擦接触特性,减轻黏着磨损和磨粒磨损。
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