圓柱彎曲型超聲波電動機(jī)定子優(yōu)化設(shè)計(jì)
王中營，焦群英，陳宇，周鐵英
(1．中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，北京l00083；2．清華大學(xué)，北京100084)
摘要：圓柱彎曲型超聲波電動機(jī)在工作時其定子要具有合適的工作模態(tài)。為滿足該工作模態(tài)，早期設(shè)計(jì)中需對定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多次修改和試算，該方法耗時又不理想。在參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL的環(huán)境下編制了定子結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。計(jì)算結(jié)果表明：該程序能準(zhǔn)確地識別出定子所需工作模態(tài)，優(yōu)化后的定子結(jié)構(gòu)滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，且計(jì)算精度和設(shè)計(jì)效率得到提高。
關(guān)鍵詞：超聲波電動機(jī)；有限元法；優(yōu)化設(shè)計(jì)；定子結(jié)構(gòu)；壓電陶瓷
O 引 言
超聲波電動機(jī)是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，激勵定子產(chǎn)生某些特定的超聲振動模態(tài)，并通過定、轉(zhuǎn)子間接觸面的摩擦作用來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動的一種新型微特電機(jī)。其中超聲波電動機(jī)是較典型的一類行波型超聲波電動機(jī)，其定子結(jié)構(gòu)采用蘭杰文振子形式，與其他超聲波電動機(jī)的結(jié)構(gòu)形式相比，它不但擁有一般超聲波電動機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，還具有激振效率高、壓電陶瓷無需粘貼、成本低、易于實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。這類電機(jī)研制成功后，它將會部分地取代傳統(tǒng)的小型或微型電磁電機(jī)，在航空航天、國防軍事、微型機(jī)器人、醫(yī)療、電子設(shè)備等高科技領(lǐng)域中將會有廣闊的應(yīng)用前景。
然而，在對該類型電機(jī)定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，為了提高電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和改善電機(jī)的輸出性能，定子的工作模態(tài)應(yīng)滿足一定的設(shè)計(jì)要求，這無疑會增大定子的設(shè)計(jì)難度。作者在早期設(shè)計(jì)中采用了“試算法”，即對定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多次修改和試算，它適應(yīng)于修改參數(shù)數(shù)量較少的情況下，但當(dāng)修改參數(shù)數(shù)量較大時該方法帶有很大的盲目性，使得整個設(shè)計(jì)工作繁瑣、低效且定子結(jié)構(gòu)未必能達(dá)到****。為解決“試算法”所面臨的弊端，文獻(xiàn)[5 7]提出了基于MATLAB環(huán)境下自編程建立有限元模型及優(yōu)化算法來對定子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。但該方法具有編程靈活性不強(qiáng)、計(jì)算精度低、易出現(xiàn)人為錯誤等缺點(diǎn)，且并未考慮壓電陶瓷的壓電耦合場效應(yīng)及電學(xué)邊界條件等。
針對上述問題，本文探討了基于ANsYs軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDI。的環(huán)境下編制了定子結(jié)構(gòu)自動優(yōu)化設(shè)計(jì)程序，從建立定子有限元模型、模態(tài)分析到結(jié)構(gòu)優(yōu)化等完全在該程序控制下自動進(jìn)行，所得的定子結(jié)構(gòu)能很好地滿足電機(jī)定子的設(shè)計(jì)要求，提高了該類型電機(jī)的設(shè)計(jì)效率。
1運(yùn)行機(jī)理和定子模態(tài)的設(shè)計(jì)要求
圓柱彎曲型超聲波電動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖l所示。它主要由轉(zhuǎn)子、圓柱定子和軸組成。其中定子由上配重塊和下配重塊通過螺栓將壓電陶瓷片組壓緊形成蘭杰文振子。壓電陶瓷片的極化方式和布局如圖lb所示。當(dāng)在A、B兩組壓電陶瓷片上施加相位差為90o的同頻交流電壓時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，在定子上激勵出兩個在時間上和空間上相差90o的一階彎曲振動模態(tài)，疊加這兩個彎曲振動模態(tài)，將在定子頂端面形成一行波，行波行進(jìn)時使得定子頂端面上的任一質(zhì)點(diǎn)作橢圓運(yùn)動。定子與轉(zhuǎn)子相接觸的點(diǎn)對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生沿圓周的切向摩擦力，從而驅(qū)動壓在其上的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
為有效地提高電機(jī)的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和改善電機(jī)的輸出性能，從結(jié)構(gòu)形式上認(rèn)為定子具有合適的工作振型、頻率等模態(tài)信息至關(guān)重要，根據(jù)其運(yùn)行機(jī)理和特點(diǎn)，定子模態(tài)應(yīng)滿足以下三項(xiàng)設(shè)計(jì)要求：
(1)激發(fā)一階彎曲振型的A、B兩組壓電陶瓷片置于該振型的波峰或波谷平面上。
(2)定子驅(qū)動端具有盡可能大的振幅。
(3)具有合適的模態(tài)頻率。
定子的模態(tài)信息取決于定子的結(jié)構(gòu)形式、尺寸參數(shù)及材料組合等因素。通常情況下定子材料保持不變，因此僅從定子的結(jié)構(gòu)形式和尺寸參數(shù)上進(jìn)行優(yōu)化。要求(1)在文獻(xiàn)[10]中有詳細(xì)陳述。為滿足(2)、(3)要求，通常在圓柱定子驅(qū)動端開槽和增加定子末端質(zhì)量。開槽有三個目的：一是增加驅(qū)動端的振幅；二是降低定子的模態(tài)頻率，降低定子內(nèi)部能量損耗，提高電機(jī)效率；三是調(diào)節(jié)定子的模態(tài)頻率，使其位于合適的范圍內(nèi)。增加定子末端質(zhì)量有利于增大驅(qū)動端與末端的振幅比，將振動能量盡量傳遞到驅(qū)動端，從而進(jìn)一步放大驅(qū)動端的振幅�；诖�，我們在定子末端增加一個凸臺。
2電機(jī)定子的優(yōu)化設(shè)計(jì)
2 1定子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定
上述確定了定子的結(jié)構(gòu)形式，尺寸參數(shù)如何依賴于定子結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖2為定子結(jié)構(gòu)簡圖和尺寸參數(shù)示意圖，其中部分尺寸參數(shù)是確定的，如壓電陶 |
