织构化超声电机定/转子接触界面运动转换与能量高效传递机理研究
批准号:
52105062
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
聂瑞
依托单位:
学科分类:
传动与驱动
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
聂瑞
中文摘要
超声电机是航空航天等领域高端装备在高精度运动和定位控制方面性能提升和换代的首选,在定/转子接触界面中引入表面织构被证明是提高其性能的有效手段。目前,针对这项技术的研究尚处于初级阶段,表面织构对超声电机定/转子界面接触特性的影响机理仍不明晰,织构的设计及参数优化方法尚未构建。针对上述问题,本项目首先通过建立基于参数识别的刚柔耦合动力学模型,解析织构化界面的运动转换过程,揭示表面织构的作用机理;在此基础上,结合仿生学思想,提出具有增摩功能表面织构的结构形式;同时,给出基于非均匀应力场的织构分布方式,获得多元耦合的高性能织构化摩擦界面;最后,进行织构的多特征参数优化设计,通过整机性能测试建立织构特征参数与电机性能指标间的映射关系,形成基于性能驱动的织构特征参数优化方法。以期为超声电机在高功率密度场景下的广泛推广应用提供理论支持与技术方法。
英文摘要
Ultrasonic motor (USM) is the first choice for high-end equipment in aerospace to improve or upgrade the performance of high-precision motion and positioning control. Introduction of surface texture into the contact interface between USM’s stator and rotor has been proved to be an effective way to improve its performance. At present, researches on this technology are in the primary stage, mechanism of the influence of surface texture on contact characteristics of USM’s interface needs to be cleared; design and optimization methods of texture parameters need to be constructed. To solve the above problems, this project firstly analyzes the kinematic transformation of textured interface by establishing a rigid-flexible coupling dynamic model based on parameter recognition, and reveals the mechanism of surface texture. On this basis, combined with the principle of bionics, proposing the structure of surface texture with high friction coefficient; concurrently, giving the texture distribution based on the non-uniform stress field, and obtaining the multi-element coupling high-performance textured friction interface. Finally, optimizing the texture by multi characteristic parameters, establishing the mapping relationship between texture feature parameters and motor performance index through the performance test, and forming the texture feature parameter optimization method based on performance driven. It is hoped to provide theoretical support and technical methods for the wide application of ultrasonic motor in high power density occasions.
超声电机是航空航天等领域高端装备在高精度运动和定位控制方面性能提升和换代的首选,在定/转子接触界面中引入表面织构被证明是提高其性能的有效手段。目前,针对这项技术的研究尚处于初级阶段,表面织构对超声电机定/转子界面接触特性的影响机理仍不明晰,织构的设计及参数优化方法尚未构建。针对上述问题,本项目定位为应用性基础研究,着眼于解决将表面织构技术应用于超声电机过程中面临的关键科学问题,项目揭示了复杂环境下定子/转子(动子)接触、摩擦以及其运动转换机理,揭示了周期性表面微结构对界面摩擦特性的影响规律;提出了表面微织构结构形式、特征尺寸及其分布的优化设计方法,实现了超声电机机械性能的提高。项目使用的PI基摩擦材料织构化超声电机在预压力为240 N时,堵转力矩为1.5 N·m,效率值大于40%的有效输出力矩范围为0.30-1.50 N·m,效率值大于50%的有效输出力矩范围为0.50-1.35 N·m,相比于无织构超声电机性能有较大提升。在执行期间内完成了项目研究内容,发表学术论文9篇,申请发明专利11项(含PCT专利1项),授权实用新型专利1项;参加国际学术会议并作报告3次,担任国际学术会议大会组织主席2次,担任国际学术会议分会场主席3次,培养在站博士后1人,培养在读研究生5人。完成了项目任务书所述研究目标。
国内基金
海外基金