超聲波電動(dòng)機(jī)定子振動(dòng)模態(tài)及影響因素分析
呂雛，羅衛(wèi)東，曹爭(zhēng)光，楊榮江
(貴州大學(xué)，貴州貴陽(yáng)550003)
摘要：在研究圓柱定子超聲波電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用有限元分析軟件建立了超聲波電動(dòng)機(jī)定子的有限元計(jì)算模型，對(duì)縱向、彎曲振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了分析，研究了定子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)振子諧振頻率的影響，研究結(jié)論為回}主定子超聲波電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供了相關(guān)理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：定子；結(jié)構(gòu)參數(shù)；振動(dòng)模態(tài)
中圖分類號(hào)：TM383 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2010)05—0029—02
0引言
超聲波電動(dòng)機(jī)是一種利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)促使定子彈性體產(chǎn)生振動(dòng)，并通過(guò)摩擦來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子的新型電動(dòng)機(jī)。與傳統(tǒng)電動(dòng)機(jī)相比，超聲波電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電磁繞組和磁極，是一種全新的驅(qū)動(dòng)方式，是對(duì)傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)原理的突破，具有良好的應(yīng)用前景。
本文利用有限元方法對(duì)圓柱定子超聲波電動(dòng)機(jī)的定子進(jìn)行仿真數(shù)值計(jì)算和參數(shù)分析，討論和歸納了參數(shù)改變對(duì)電機(jī)定子諧振頻率和振型的影響。
1電機(jī)結(jié)構(gòu)原理及定子有限元分析
1 1電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理
由于驅(qū)動(dòng)原理的不同，超聲波電動(dòng)機(jī)形成了不同種類的結(jié)構(gòu)形式。本文討論的圓柱定子超聲波電動(dòng)機(jī)是目前應(yīng)用和研究較多的超聲波電動(dòng)機(jī)之一。圖1為該種超聲波電動(dòng)機(jī)的一種結(jié)構(gòu)形式，其運(yùn)行機(jī)理是：A、B兩組壓電陶瓷元件組空間互差90。置放，用來(lái)激發(fā)彎曲振動(dòng)；C組壓電陶瓷元件組用來(lái)激發(fā)縱向振動(dòng)。在壓電陶瓷元件_4組和B組，A(B)組和C組上通人相位差為90。的超聲交流電，從而產(chǎn)生兩相彎曲振動(dòng)模態(tài)，通過(guò)模態(tài)合成在定子表面上任一質(zhì)點(diǎn)形成橢圓運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)球形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因此，為提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，有必要對(duì)定子彎曲振動(dòng)共振頻率及其影響因素進(jìn)行分析。
1.2定子彎曲振動(dòng)有限元分析
利用有限元軟件ANsYs對(duì)兩種材料構(gòu)成的超聲波電動(dòng)機(jī)定子進(jìn)行分析計(jì)算，形象地模擬實(shí)際定子振動(dòng)情況并獲得定量化的分析結(jié)果。 建立的超聲波電動(dòng)機(jī)定子有限元模型如圖
2所示，通過(guò)粘合操作將各部分連接成一個(gè)整體。從左往右依次是：彈性體，第一壓電片，彈性體，第二壓電片，彈性體，第三壓電片，底座。其中，定子基座的尺寸：外徑R=10 mm、內(nèi)徑r=6 mm、高度^：=15 mm；定子彈性體的尺寸：外徑R=10 mm、內(nèi)徑r=6 mm、高度^，=10 mm；壓電陶瓷的尺寸：外徑R=10 mm、r=內(nèi)徑6mm、高度h1=1 mm。定子材料如表1所示。
通過(guò)對(duì)圖2定子模型的有限元計(jì)算，得到該圓柱定子振動(dòng)的不同模態(tài)，圖3為圓柱定子的三個(gè)工作振型。他們分別是三階置軸向振動(dòng)、三階y軸向振動(dòng)以及三階z軸向振動(dòng)。
理論上，電機(jī)定子任意階次的縱、彎振模態(tài)只要能滿足頻率一致性要求，就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)率一致性要求，就可以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子動(dòng)。但是在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，四階以上的振動(dòng)
模態(tài)會(huì)產(chǎn)生一些不良影響。例如，階次越高的模態(tài)越不易激發(fā)；在高階振動(dòng)頻率范圍內(nèi)，存在較多、較密集的非工作模態(tài)，工作模態(tài)很難遠(yuǎn)離它們，易造成模態(tài)干擾。因此這里只把振動(dòng)形態(tài)選擇到三階的振動(dòng)工作模態(tài)。
2定子結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)振動(dòng)模態(tài)共振頻率的影響
影響超聲波電動(dòng)機(jī)振動(dòng)模態(tài)頻率的因素有多種，主要有振子的幾何結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的材料特性，以及邊界條件。為實(shí)現(xiàn)在同一頻率下同時(shí)激發(fā)縱向和彎曲的復(fù)合振動(dòng)模態(tài)，使電機(jī)高效、可靠工作。本文分析定子的四個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)：定子圓環(huán)內(nèi)徑r；定子圓環(huán)外徑R；壓電陶瓷片厚度h1；金屬?gòu)椥泽w厚度h2的改變對(duì)三階振動(dòng)模態(tài)頻率的影H自，以便合理設(shè)計(jì)超聲波電動(dòng)機(jī)定子結(jié)構(gòu)。
(1)定子內(nèi)外徑之比對(duì)振動(dòng)模態(tài)頻率的影H向 通過(guò)模擬計(jì)算得到三階振動(dòng)模態(tài)頻率與定子圓環(huán)內(nèi)外徑之比的關(guān)系。初始條件為：h1=1 mm，h2=10 mm，10 mm，r／R的值從O．2取至O 8，其中每次增幅取為O l，結(jié) 果如圖4所示。
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