精密驅動與傳動

---以超聲電機為例太行大推力渦扇發動機直升機減速器風力發電太陽能發電諧波齒輪RV傳動減速器礦山機械齒輪工程機械月球探測車高分辨率對地觀測衛星航空作動器發動機直驅泵變體飛行器驅動與傳動多介質多形式高效驅動與傳動精密驅動與傳動基于功能材料的新型驅動驅動傳動負載功能：原動機，產生基本運動、動力。

(電機、內燃機、液壓泵、液力耦合器、磁、電場、功能材料等)功能：運動、能量變換、傳遞、分配。(機械傳動、液體傳動、氣體傳動等)高效、精密、復合、可靠驅動研究范圍多介質多形式高效驅動與傳動精密驅動與傳動基于功能材料的新型驅動精密驅動與傳動機械傳動與驅動對機械學科的影響機構學與機械動力學機械傳動與驅動復雜機電系統集成科學機械的表面/界面科學高精度、數字化制造高性能潔凈成形制造機械的制造與運行參數及其精度測量機械結構與系統的安全服役理論生機電系統與仿生機械高能束與特種能場制造微納機械學與微納制造機電裝備“機械系統創新”的四個支撐領域之一以超聲電機為例環形行波型USM的定子和轉子

工作原理：對極化后的壓電陶瓷元件施加—定的高頻交變電壓，壓電陶瓷隨著高頻電壓的幅值變化而膨脹或收縮，從而在定子彈性體內激發出超聲波振動，這種振動傳遞給與定子緊密接觸的摩擦材料以驅動轉子旋轉。超聲電動機將電致伸縮、超聲振動、波動原理這些毫不相干的概念與電機聯系在一起，創造出一種完全新型的電動機。(1)低速大轉矩(2)體積小、重量輕

(3)反應速度快，控制特性好由于超聲電動機具有電磁電機所不具備的許多特點，盡管它的發明與發展僅有20多年的歷史，但在宇航、機器人、汽車、精密定位、醫療器械、微型機械等領域已得到成功的應用。歐洲將超聲波電機用于實驗平臺及微動設備，如1986年獲Nobel物理學獎的掃描隧道顯微鏡(STM)日本Canon公司將超聲電機用于其EOS620/650自動聚焦單鏡頭反射式照相機中清華大學的周鐵英等申請了國內第一項關于超聲電機的發明專利，并且研制了直徑為1mm的微型圓柱式超聲電機浙江大學研制了一種縱/扭型超聲電機吉林大學在壓電精密驅動技術方面獲得的成果哈爾濱工業大學研制的超聲電機專用摩擦材料已經滿足了工程應用的需要南京航空航天大學趙淳生院士領導的科研團隊USM與傳統電磁式電機相比有無可替代的優點，但是它也存在一些問題：(1)控制困難:(2)壽命較短:(3)運行效率較低:控制困難控制困難90年代初，日本IzunoY和SenjyuT等人對超聲電機的控制理論和控制方法進行了較為深入的研究，將自動化控制領域常用的模糊控制、遺傳算法及自適應控制、預測控制等引入到超聲電機控制中來，同時也推動了超聲電機控制模型研究方面的進展，但他們較為偏重針對超聲電機的強烈非線性及蠕變性方面的控制算法的仿真研究。N.Bigdeli

和M.Haeri

提出了基于Hammerstein結構的模型,該模型不但復雜,而且是由追蹤和誤差提取的,它并不適用于每個行波超聲電機。Fazel

Bazrafshan

等研究了一個典型的旋轉行波超聲電機,提出了模糊Hammerstein型非線性模型結構,該結構由靜態模糊模型與線性動態模型串聯,方法計算量較大,通過反轉靜態非線性,模糊Hammerstein模型能夠被集成到標準線性廣義預測控制器。控制困難南航提出了一種超聲電機頻率自動跟蹤控制技術,使超聲電機轉速的變化小于5%,而且研制了相應的二相驅動器。控制困難南航提出了一種超聲電機頻率自動跟蹤控制技術,使超聲電機轉速的變化小于5%,而且研制了相應的二相驅動器。控制困難目前有許多關于非最佳控制策略的研究,但關于超聲電機的控制策略,效率的最優控制策略的研究卻很少。(2)壽命較短:提出新型壓電陶瓷極化分區方案,研制出四相微型驅動器。(2)壽命較短:

Suresha

等采用微米-納米無機填料構建的復合材料具有良好的力學性能和摩擦學特性。Molazemhosseini

等利用納米二氧化硅和碳纖維制備了具有較好磨損特性的摩擦材料。哈爾濱工業大學曲建俊教授在超聲電機梯度摩擦材料研究、摩擦建模、溫度特性和接觸界面摩擦解析模型等方面開展了研究工作,提出應從摩擦學、材料學等多學科角度研究適合超聲電機的摩擦材料。但關于有機納米粒子用于摩擦材料的研究罕有報道。(3)效率低下:復合激勵行波超聲電機定子和轉子被視為剛性體，但是,一些細節沒有考慮,如摩擦層的切形變,接觸區域的粘/滑特點等。(3)效率低下:MoalandMinotti

提出一種彈性接觸模型,假設定子是剛性體,將轉子上的摩擦層視為分布式線性彈簧,將分布式彈簧—剛體用在定子和轉子之間。(3)效率低下:東京工業大學精密智能實驗室開發出了基于縱扭和縱彎復合型直線超聲電機,激勵采用壓電陶瓷與金屬片疊放形式,兩個獨立振動模態疊加,正反轉一致性好。(3)效率低下:哈爾濱工業大學陳維山教授團隊重點研究了縱振模態夾心式超聲電機,并在此基礎上研究了縱彎復合振動模態球型超聲電機；南京航空航天大學趙淳生院士領導的團隊也對此類型電機也進行研究,提出了一種孔式模態轉換超聲電機；清華大學周鐵英教授研究團隊提出縱彎扭三梁耦合振動超聲電機結構；華僑大學洪尚任教授研究團隊提出了一種斜槽式模態轉換型縱扭超聲電機。(3)效率低下:對國內外研究現狀分析發現:1、復合模態行波超聲電機的研究主要集中于圓環型行波超聲電機,圓盤型行波超聲電機較少;2、現階段直徑主要集中于45-100mm之間,圓環軸向彎曲振動振型中振幅不一致性,使得機械輸出能力受到嚴重制約;(1)微型、集成式超聲電機的研發;(2)表面波超聲電機的研發;(3)用于超聲電機新型材料(定子材料、摩擦材料、壓電材料)的研發;(4)超聲電機壽命和可靠性的研究;(5)USM非常環境(高/低溫、振動/沖擊、低氣壓)下的性能研究;(6)超聲電機的