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【正文】 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 25 如圖 轉(zhuǎn)子柔性與接粗面變形 定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合 由于超聲波電機(jī)是基于摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理工作的，使用壽命是超聲波電機(jī)實(shí)用 化生產(chǎn)的一大障礙，為了提高壽命，可以增加定轉(zhuǎn)子的接觸面積，減小預(yù)壓力，從而降低摩擦層的損耗和增加其使用壽命。 為了能夠使行波超聲波電動(dòng)機(jī)輸出很大的力矩 ， 常需要在定轉(zhuǎn)子間施加相當(dāng)大的軸向預(yù)壓力 ， 此預(yù)壓力的施加常通過軸向定轉(zhuǎn)子變形產(chǎn)生 ， 這會(huì)使定轉(zhuǎn)子沿徑向彎曲 ， 由于徑向彎曲的存在 ， 使得定轉(zhuǎn)子的實(shí)際接觸面積大大減小 ， 壓力分布不均勻 ， 定子轉(zhuǎn)子的內(nèi)徑接觸方向迅速磨損 ， 如圖 超聲波電機(jī) 定轉(zhuǎn)子的徑向彎曲效應(yīng)和定子徑向磨損情況。 大量的磨損是由于定轉(zhuǎn)子接觸面積減小 ， 局部接觸壓力過大引起的。而且 ， 接觸壓力使得摩擦材料內(nèi)部循環(huán)應(yīng)力增大 ， 造成極大的損耗和發(fā)熱。 Minotti等使用 ANSYS對(duì)定轉(zhuǎn)子接觸情況進(jìn)行了計(jì)算 ， 結(jié)果表明 ： 存在徑向彎曲效應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的局部接觸壓力是接觸區(qū)域無徑向彎曲效應(yīng)情況下的 10倍以上。 如圖 早期超聲波電機(jī)定、轉(zhuǎn)子接觸及磨損情況 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 26 由于定轉(zhuǎn)子徑向彎曲效應(yīng)的存在 ， 需要相應(yīng)改變定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ， 以配合徑向彎曲效應(yīng) ， 使定轉(zhuǎn)子能夠平行接觸。定轉(zhuǎn)子的徑向彎曲配合能夠增加接觸寬度 ， 使接觸壓力沿齒的整個(gè)徑向距離均勻分布 ， 極大地降低了局部接觸壓力 ， 從而顯著地減少材料磨損。另外 ， 在保持周向接觸比和壓 力不變的情況下 ， 增加接觸寬度 ， 能夠使加到轉(zhuǎn)子上的周向預(yù)壓力顯著增加 ， 因而使徑向壓力分布均勻 ， 并在不增加局部壓力和摩擦層磨損率的情況下提高行波超聲波電動(dòng)機(jī)的機(jī)械性能。 根據(jù)參考文獻(xiàn) ? ?2,10 考慮定轉(zhuǎn)子徑向彎曲配合的定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如 圖 所示。該轉(zhuǎn)子結(jié)能使磨損均勻分 布在整個(gè)接觸區(qū)域 ，大大降低了摩擦層磨損 ， 且由于壓力降低 ， 摩擦層的損耗 隨之減小 另外，定轉(zhuǎn)子接觸表面的加工精度是關(guān)系到定子的振動(dòng)能能否有效地轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)能的關(guān)鍵，其平面度和粗糙度對(duì)電機(jī)運(yùn)行噪聲、能量轉(zhuǎn) 化效率、運(yùn)行平穩(wěn)性等性能影響很大。所以，轉(zhuǎn)子與定子接觸的表面要進(jìn)行研磨，保證表面的平面度和粗糙度。裝配時(shí)，定轉(zhuǎn)子必須保持面接觸，使預(yù)壓力在整個(gè)面上均勻分布。 . 摩 擦層的設(shè)計(jì) 超聲波電機(jī)的摩擦材料必須滿足：耐磨、耐高溫、摩擦系數(shù)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。較大的摩擦系數(shù)可以獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩和較高的能量傳遞效率 ， 但是如果結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或定 轉(zhuǎn)子材料選擇等環(huán)節(jié)處理不當(dāng)?shù)脑?，則可能發(fā)生磨損率高，電機(jī)不穩(wěn)定等特點(diǎn)。據(jù)參考文獻(xiàn) ??10 摩擦 層 最佳的參數(shù)選擇是：彈性模量 300Mpa、厚度為 、摩擦系數(shù)為 。 定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的 總結(jié) 對(duì)于超聲波電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的校核，不像我們平時(shí)學(xué)習(xí)的電機(jī)，有確切的驗(yàn)算數(shù)學(xué)公式。目前為止，還沒有推導(dǎo)出，比較成熟的公式對(duì)其進(jìn)行校核，對(duì)于現(xiàn)階段，我們一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)出超聲波電機(jī)的樣機(jī)結(jié)構(gòu)，在利用仿真軟件，對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試，然后判定其是否合格。因?yàn)楸救嗽诖舜握撐闹?，未涉及軟件仿真，故未進(jìn)行有效地驗(yàn)算，不過，行波型超聲波電機(jī)是目前所有典型超聲波電機(jī)中力矩最小的一種。它的力矩比吊床上的小風(fēng)扇的力矩還小，一般連 ? 的力矩都不到，故根據(jù)經(jīng)驗(yàn)而言，所設(shè)計(jì)的定、轉(zhuǎn)子的初步結(jié)構(gòu)是基本符合要求的。 圖 定轉(zhuǎn)子的彎曲配合設(shè)計(jì)圖 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 27 第 4 章 樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 底座 壓電陶瓷片 定子 壓蓋 轉(zhuǎn)子 上軸套 碟簧 軸承 開槽螺釘 下軸套 1調(diào)整墊圈 圖 超聲波電機(jī)的 的二維結(jié)構(gòu)圖 應(yīng)用本文有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)，設(shè)計(jì)的行波型超聲波電機(jī)的實(shí)際樣機(jī)結(jié)構(gòu)如圖 所示。主要由壓電陶瓷（激振部分）、定子、轉(zhuǎn)子等構(gòu)成。定子和轉(zhuǎn)子之間需要有加壓裝置，主要通過蝶簧來施加，并保證定子與轉(zhuǎn)子在接觸面上，預(yù)壓力能 均勻分布。 在前面討論了行波型超聲波電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)。下面需要對(duì)超聲波電機(jī)輸出軸進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。超聲波電機(jī)輸出軸的特點(diǎn)是：低轉(zhuǎn)速、大力矩軸。在軸上分布有定子、轉(zhuǎn)子、碟簧、平面軸承，軸兩端有滑動(dòng)軸承。超聲波電機(jī)的輸出軸主要起到三個(gè)作用：首先是要通過超聲波電機(jī)的輸出軸傳遞定子和轉(zhuǎn)子之間的預(yù)壓力；通過輸出軸傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的作用；通過軸起到裝配定位的作用。因此，對(duì)軸的有較高的同軸度和垂直度要求。在超聲波電機(jī)軸的精加工前要對(duì)其進(jìn)行熱處理，這樣可以避免在加工過程中產(chǎn)生熱湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 28 變形。 由于超聲波電機(jī)定子表面振幅一般只有幾個(gè) 微米，因而定轉(zhuǎn)子配合、預(yù)壓力施加裝置的配合等裝配過程引入的誤差都會(huì)導(dǎo)致電機(jī)效率的下降、機(jī)械摩擦噪聲增加及轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)等問題的出現(xiàn)。裝配時(shí)，定轉(zhuǎn)子的配合必須保證為面接觸、接觸壓力均勻分布，而且定轉(zhuǎn)子接觸的偏差應(yīng)該允許碟簧等通過預(yù)壓力進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整。裝配完成后，要對(duì)超聲波電機(jī)整體進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行，循環(huán)正反切換運(yùn)行等試運(yùn)行，以使粘結(jié)層內(nèi)部應(yīng)力釋放，各種阻尼及物理限制減弱，接觸面進(jìn)一步磨合，從而使電機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行期 。 湘 潭大學(xué)興湘學(xué)院 29 第 5 章 全文總結(jié) 超聲波電機(jī)是國(guó)外八十年 代發(fā)展起來的一種新型直接驅(qū)動(dòng)微電機(jī)。 它的基本結(jié)構(gòu)及工作完全不同于傳統(tǒng)的電磁電機(jī)，主要由高頻電源、壓電陶瓷、定子、轉(zhuǎn)子以及預(yù)壓力機(jī)構(gòu)等組成。它主要利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)定子的機(jī)械振動(dòng)能，然后借助摩擦力將機(jī)械振動(dòng)能傳遞給轉(zhuǎn)子，產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于超聲波電機(jī)獨(dú)特的工作原理，它具有低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)快、 不受磁場(chǎng)影響、斷電自鎖等許多優(yōu)點(diǎn)。在精確定位裝置、微型機(jī)械、工業(yè)控制、儀器儀表、智能機(jī)器人、航天航空等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景，因此引起了學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的重視。國(guó)內(nèi)外有很多科研機(jī)構(gòu)都正在對(duì)其進(jìn)行研 究。 超聲波電機(jī)的發(fā)展歷史還很短，在分析、設(shè)計(jì)、控制等方面還有許多問題要解決。本文詳細(xì)地查閱大量國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，總結(jié)和分析了國(guó)內(nèi)外超聲波電機(jī)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)，以目前最具有發(fā)展前景的行波型超聲波電機(jī)作為論文的研究對(duì)象，進(jìn)行了深入細(xì)致的研究。在理論研究基礎(chǔ)上，完成了行波超聲波電機(jī)的理論計(jì)算、設(shè)計(jì)制作 。 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 30 參考文獻(xiàn) [1] 上羽貞行，富川義郎 .超聲波馬達(dá)理論與應(yīng)用 [M].楊志剛，鄭學(xué)倫 譯 .上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1999 [2] 趙淳生 .超聲 波電機(jī)的 發(fā)展和應(yīng)用 [J].測(cè)控技術(shù) .1996（ 1） [3] Lavrinenco V V， Vishnevski V S， Kartashev I A. 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Lee 等人。 /工程失效分析 16（ 2020） 12381244 1239 圖 1 一個(gè)核燃料組件， 16x16 或 17x 17燃料棒，并組成若干格架組裝示意圖 一 臺(tái) 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)（ FRETONUS， FRTtting 核系統(tǒng)測(cè)試儀）的高溫高壓水條件垂直類型發(fā)展以評(píng)估 核部件微動(dòng)磨損性能 [2]。經(jīng)過 500h 后的測(cè)試，但是，兩個(gè)振動(dòng)其中有四個(gè)軸斷裂，其中連接到試樣座使用，如圖 2所示螺栓夾具。有必要評(píng)估其失敗的原因，以及改善振動(dòng)軸的設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期試驗(yàn)以確認(rèn)可靠性微動(dòng)磨損。在這項(xiàng)研究中，對(duì)于失敗和斷裂機(jī)制的原因，揭示并討論了利用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡對(duì)振動(dòng)軸斷口微維氏