超聲波電動機定子振動模態(tài)及影響因素分析
呂雛，羅衛(wèi)東，曹爭光，楊榮江
(貴州大學(xué)，貴州貴陽550003)
摘要：在研究圓柱定子超聲波電動機結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，運用有限元分析軟件建立了超聲波電動機定子的有限元計算模型，對縱向、彎曲振動模態(tài)進行了分析，研究了定子結(jié)構(gòu)參數(shù)對驅(qū)動振子諧振頻率的影響，研究結(jié)論為回}主定子超聲波電動機設(shè)計提供了相關(guān)理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞：定子；結(jié)構(gòu)參數(shù)；振動模態(tài)
中圖分類號：TM383 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05—0029—02
0引言
超聲波電動機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，并通過摩擦來驅(qū)動轉(zhuǎn)子的新型電動機。與傳統(tǒng)電動機相比，超聲波電動機沒有電磁繞組和磁極，是一種全新的驅(qū)動方式，是對傳統(tǒng)電磁驅(qū)動原理的突破，具有良好的應(yīng)用前景。
本文利用有限元方法對圓柱定子超聲波電動機的定子進行仿真數(shù)值計算和參數(shù)分析，討論和歸納了參數(shù)改變對電機定子諧振頻率和振型的影響。
1電機結(jié)構(gòu)原理及定子有限元分析
1 1電機結(jié)構(gòu)及原理
由于驅(qū)動原理的不同，超聲波電動機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機是目前應(yīng)用和研究較多的超聲波電動機之一。圖1為該種超聲波電動機的一種結(jié)構(gòu)形式，其運行機理是：A、B兩組壓電陶瓷元件組空間互差90。置放，用來激發(fā)彎曲振動；C組壓電陶瓷元件組用來激發(fā)縱向振動。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)生兩相彎曲振動模態(tài)，通過模態(tài)合成在定子表面上任一質(zhì)點形成橢圓運動，從而驅(qū)動球形轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。因此，為提高系統(tǒng)運行效率，有必要對定子彎曲振動共振頻率及其影響因素進行分析。
1.2定子彎曲振動有限元分析
利用有限元軟件ANsYs對兩種材料構(gòu)成的超聲波電動機定子進行分析計算，形象地模擬實際定子振動情況并獲得定量化的分析結(jié)果。 建立的超聲波電動機定子有限元模型如圖
2所示，通過粘合操作將各部分連接成一個整體。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。
通過對圖2定子模型的有限元計算，得到該圓柱定子振動的不同模態(tài)，圖3為圓柱定子的三個工作振型。他們分別是三階置軸向振動、三階y軸向振動以及三階z軸向振動。
理論上，電機定子任意階次的縱、彎振模態(tài)只要能滿足頻率一致性要求，就可以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)率一致性要求，就可以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子動。但是在試驗中發(fā)現(xiàn)，四階以上的振動
模態(tài)會產(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)很難遠離它們，易造成模態(tài)干擾。因此這里只把振動形態(tài)選擇到三階的振動工作模態(tài)。
2定子結(jié)構(gòu)參數(shù)對振動模態(tài)共振頻率的影響
影響超聲波電動機振動模態(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。為實現(xiàn)在同一頻率下同時激發(fā)縱向和彎曲的復(fù)合振動模態(tài)，使電機高效、可靠工作。本文分析定子的四個結(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；金屬彈性體厚度h2的改變對三階振動模態(tài)頻率的影H自，以便合理設(shè)計超聲波電動機定子結(jié)構(gòu)。
(1)定子內(nèi)外徑之比對振動模態(tài)頻率的影H向 通過模擬計算得到三階振動模態(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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