能量回饋型超聲波電機(jī)的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目摘要

超聲波電機(jī)的優(yōu)良特性使其在微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制中得到廣泛的應(yīng)用。由于受其摩擦驅(qū)動(dòng)機(jī)理的限制，超聲波電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率低，這嚴(yán)重限制了它在許多有限能量場(chǎng)合中的應(yīng)用，如密封惡劣環(huán)境中工作的微型機(jī)器人。因此，研究振動(dòng)能量采集與回饋的方法將超聲波電機(jī)的振動(dòng)能量回收轉(zhuǎn)換成電能，并定期向密封惡劣環(huán)境中工作的微型機(jī)器人提供電能。本項(xiàng)目將探索研究能量回饋型超聲波電機(jī)的構(gòu)造理論與關(guān)鍵技術(shù)，并研制出至少一種能量回饋型超聲波電機(jī)樣機(jī)。研究?jī)?nèi)容包括：（1）能量回饋型超聲波電機(jī)的工作機(jī)理與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）能量回饋型超聲波電機(jī)的理論模型、設(shè)計(jì)方法；（3）超聲波電機(jī)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)行為；（4）能量回饋型超聲波電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制特性；（5）能量回饋型超聲波電機(jī)的制備科學(xué)與綜合試驗(yàn)。本項(xiàng)目目標(biāo)是研制集驅(qū)動(dòng)與發(fā)電一體化的高效節(jié)能型超聲波電機(jī)，為微型機(jī)器人在密封惡劣環(huán)境中的持續(xù)穩(wěn)定工作

能量回饋型超聲波電機(jī)是一種集驅(qū)動(dòng)與能量采集功能于一體的新型超聲波電機(jī)，可以解決現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器件自供電問題，但有諸多科學(xué)問題值得探索。為此開展了以下研究：能量回饋型超聲波電機(jī)的工作機(jī)理與關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；電機(jī)理論模型與設(shè)計(jì)方法；電機(jī)能量采集系統(tǒng)模型與轉(zhuǎn)換拓?fù)潆娐罚浑姍C(jī)驅(qū)動(dòng)與控制特性；電機(jī)制備科學(xué)與綜合試驗(yàn)。 1、 提出了一種改進(jìn)的壓電陶瓷極化分區(qū)形式，設(shè)計(jì)了一體式和分體式兩種能量回饋型超聲波電機(jī)結(jié)構(gòu)，建立了兩種電機(jī)定子結(jié)構(gòu)的有限元模型，優(yōu)化設(shè)計(jì)并分析了定子參數(shù)和采集區(qū)負(fù)載電阻對(duì)其頻率特性、振動(dòng)特性以及電特性的影響。 2、 考慮定子結(jié)構(gòu)剛度不對(duì)稱性，提出了電機(jī)定子等效雙模機(jī)械振動(dòng)模型；建立了電機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸面力傳遞模型及其修正；利用修正后的Hamilton原理及粘彈性接觸理論建立了電機(jī)動(dòng)力學(xué)模型；基于正壓電效應(yīng)和彎曲振動(dòng)理論，首次建立了電機(jī)能量采集數(shù)學(xué)模型；分析了驅(qū)動(dòng)電壓、驅(qū)動(dòng)頻率、預(yù)壓力、負(fù)載力矩以及采集區(qū)負(fù)載電阻等對(duì)電機(jī)振動(dòng)特性、機(jī)械特性和電輸出特性的影響，形成了電機(jī)結(jié)構(gòu)與能量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)理論。 3、 提出了電機(jī)能量采集系統(tǒng)的新型機(jī)電耦合等效電路模型，首次給出了能量采集系統(tǒng)的能量流圖，分析了不同接口拓?fù)潆娐废碌南到y(tǒng)能量組成，建立了系統(tǒng)電荷-電壓軌跡圖。形成了標(biāo)準(zhǔn)整流濾波(SIC)、同步開關(guān)電感(SSHI)和能量自給同步開關(guān)電感(SP-SSSHI)能量采集轉(zhuǎn)換拓?fù)潆娐芳夹g(shù)；揭示了拓?fù)潆娐放c采集系統(tǒng)之間多時(shí)間尺度非線性耦合動(dòng)力學(xué)行為以及作用機(jī)制。 4、 提出了一種基于模糊PID的在線識(shí)別電機(jī)控制策略，具有誤差小、計(jì)算量小和易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，速度誤差在3%以內(nèi)。形成了基于555振蕩技術(shù)、DSP2407 和DSP2808處理器的三種驅(qū)動(dòng)控制電源技術(shù)。研制了兩種能量回饋型超聲波電機(jī)樣機(jī)合計(jì)6套，搭建了電機(jī)性能測(cè)試平臺(tái)，開展了電機(jī)綜合性能實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明電機(jī)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。 5、 開展了壓電能量采集器的關(guān)鍵理論與技術(shù)研究，形成了振動(dòng)能量采集器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。此外，開展了兩種新型超聲波電機(jī)研究。 2100433B

1、 回饋節(jié)能基本原理

將運(yùn)動(dòng)中負(fù)載上的機(jī)械能（位能、動(dòng)能）通過能量回饋裝置變換成電能（再生電能）并回送給交流電網(wǎng)，供附近其它用電設(shè)備使用，使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)在單位時(shí)間消耗電網(wǎng)電能下降，從而達(dá)到節(jié)約電能的目的。

2、回饋節(jié)能解決方案

能量回饋裝置的作用就是能有效的將電動(dòng)機(jī)的再生電能高效回送給交流電網(wǎng)，供周邊其它用電設(shè)備使用，節(jié)電效果十分明顯，一般節(jié)電率可達(dá)15%～45%。此外，由于無電阻發(fā)熱元件，機(jī)房溫度下降，可以節(jié)省機(jī)房空調(diào)的耗電量，在許多場(chǎng)合，節(jié)約空調(diào)耗電量往往帶來更優(yōu)的節(jié)電效果。