电磁压电混合驱动多自由度电机的基础研究.pdf

摘 要 摘 要 随着现代智能化工业的不断发展以及工业应用对多 自由度运动执行机构精密 度、集成度和灵活度的要求的不断提高，多自由度电机逐渐成为研究的热点。多自 由度电机的驱动方式主要分为：电磁驱动和压电驱动。电磁驱动的多自由度电机机 械集成度高、传动简单。适合工作在高速低扭矩场合，但其结构复杂难以实现微型 化，控制定位精度低，不宜应用在精密的工作场合。同时，高功率的电机尺寸很大， 存在响应延迟的问题。压电驱动的多自由度电机结构紧凑，设计灵活，易于实现微 型化，能自锁，响应快，且不受外界电磁的干扰。适合工作在低速大扭矩场合；但 压电驱动的多自由度电机寿命短，不适合连续运转的场合。然而，这两种驱动方式 的多自由度电机的缺点限制了它们的应用场合。因此，将电磁驱动与压电驱动方式 结合设计出电磁压电混合驱动多自由度电机可以增大电机的转速转矩输出范围和响 应速度，改善高输出功率电机尺寸大和响应延迟问题。 本文结合电磁驱动多自由度电机和压电驱动多自由度电机的优点，研究了一种 电磁压电混合驱动多自由度电机。提出了电磁压电混合驱动多自由度电机的结构并 分析了其驱动机理。研究了电机压电定子高频振动对电机定转子结构的影响，并确 定转子结构的最佳尺寸。分析了电机压电定子高频振动时的电压激励最佳频率，在 此基础上研究了压电定子的动力学响应情况。分析结果表明压电定子设计方案可行。 建立了电机转子永磁体的磁场有限元模型，分析了永磁体不同充磁方式下的磁场分 布情况和永磁体不同位置的气隙磁通密度分布情况。建立了电机转子永磁体的球谐 函数磁场解析模型和等效磁荷磁场解析模型。通过数值分析的方法对比了两种解析 模型的在永磁体不同位置的气隙磁通密度的分布情况。完成了磁场数值分析结果与 有限元计算结果对比分析。分析结果表明两种解析方法获得的磁场结果均正确且等 效磁荷磁场模型计算结果更加准确。为进一步建立电磁压电混合驱动转矩模型提供 基础。在磁场解析模型的基础上，根据洛伦兹力定律建立了电磁驱动转矩模型。根 据第一类 Fredholm 方程分析了定转子接触面力分布情况和位移情况，并在此基础上 根据 Mindlin 理论建立了压电驱动转矩模型。根据电机的结构及电磁驱动转矩模型和 压电驱动转矩模型建立了电磁压电混合驱动转矩模型。通过数值分析方法分析了定 转子摩擦材料、定子安装位置角及驱动方式对电机转矩的影响。最后，研制出电机 的样机，通过实验验证了电磁压电混合驱动多自由度电机的可行性，为电机的进一 步优化设计提供参考。 关键词 球形电机；多自由度；力学特性；电磁压电混合驱动；磁场特性 I Abstract Abstract Multi-degree-of-freedom motors have gradually become a research hotspot, due to the continuous development of modern intelligent industries and the increasing requirements for the precision, integration and flexibility of multi-degree-of-freedom motion actuators in industrial applications. The driving modes of multi-degree-of-freedom motors are mainly divided into electromagnetic driving and piezoelectric driving. The electromagnetic driving multi-degree-of-freedom motor has high mechanical integration and simple transmission. It is suitable for working in