超聲波電機(jī)定子設(shè)計參數(shù)間交互作用對電機(jī)模態(tài)頻率的影響
王一鈞，胡夏夏，王志強
（浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械制造及自動化省部共建教育部重點實驗室，杭州310032）
摘要：研究了旋轉(zhuǎn)行波超聲波電機(jī)（rtwusm）定子設(shè)計參數(shù)：定子齒高、齒寬與槽寬比、定子內(nèi)外圈直徑、彈性支撐位置與定子所受預(yù)壓力對超聲波電機(jī)模態(tài)頻率的影響，采用了有限元法與正交設(shè)計法研究了定子設(shè)計參數(shù)之間的交互作用，得出了各設(shè)計參數(shù)間的相互影響程度，得出定子齒高以及定子齒高與定子內(nèi)圈直徑的交互作用對于模態(tài)混疊的改善有很大作用，而預(yù)壓力增大時對模態(tài)混疊無明顯改善。該結(jié)論對超聲波電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計，模態(tài)混疊現(xiàn)象的改善有一定價值。
關(guān)鍵詞：超聲波電機(jī)；定子；設(shè)計參數(shù)；交互作用；模態(tài)混疊
中圖分類號：tm359. 9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號：1001。6848( 2010) 05-0022-05
o引 言
環(huán)形旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機(jī)是一種利用壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)使電機(jī)定子產(chǎn)生超聲振動其振動頻率超過20 khz，并將這種振動通過摩擦耦合來驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的新型微電機(jī)。它作為一種響應(yīng)速度快、低速大轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)動噪聲低的直接驅(qū)動電機(jī)被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密儀器和醫(yī)療器械等領(lǐng)域，其性能的分析與設(shè)計已經(jīng)成為當(dāng)前機(jī)電控制、設(shè)計領(lǐng)域的熱點。
王光慶研究了rtwusm在運行時，預(yù)壓力對電機(jī)定子模態(tài)頻率的影響，以及噪聲特性和模態(tài)混疊現(xiàn)象的抑制情況。華僑大學(xué)的孫學(xué)亮，洪肖任等人將有限元法與實驗相結(jié)合，研究了rtwusm定子從無齒到有齒變化時，其固有頻率和振動的變化。新加坡國立大學(xué)的采用有限元法研究了rtwusm定子結(jié)構(gòu)對電機(jī)的沖擊，并對電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。
以上對rtwusm定子結(jié)構(gòu)的研究主要側(cè)重于單個設(shè)計參數(shù)的改變對電機(jī)模態(tài)頻率的影響，很少考慮各設(shè)計參數(shù)間的交互影響作用。本文主要是研究rtwusm定子的各設(shè)計參數(shù)間是否存在交互作用，其交互作用對電機(jī)的模態(tài)頻率的影響趨勢與強度如何，從而為電機(jī)的定子設(shè)計提供參考依據(jù)。
1 rtwusm定子模型
環(huán)形旋轉(zhuǎn)行波型超聲波電機(jī)( rtwusm)其定子和轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
其中定子是由壓電陶瓷、膠粘劑和定子金屬體所構(gòu)成，并通過沉頭孔和螺釘固定在電機(jī)外殼上。超聲波電機(jī)是基于高頻機(jī)械振動和摩擦驅(qū)動的機(jī)電一體化機(jī)構(gòu)，其定子的振動狀態(tài)研究是超聲波電機(jī)分析中的技術(shù)難點之一。因此，rtwusm定子的設(shè)計在整個電機(jī)設(shè)計中占有重要地位，其主要設(shè)計參數(shù)有：定子齒高、齒寬與槽寬比、定子內(nèi)外圈直徑、壓電陶瓷厚度、彈性支撐位置與定子所受預(yù)壓力。rtwusm定子結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。
圖2中a為定子固定在外殼基座的部分，b為振子彈性支持，c為定子金屬體有齒部分，d為黏結(jié)層，e為壓電陶瓷。rl和r2分別為定子的內(nèi)徑和外徑，h為定子金屬體總高度，ht為定子齒高，hp為壓電陶瓷厚度，hc為彈性支撐位置。
2定子設(shè)計參數(shù)的分析與確定
rtwusm的主要性能取決于定子的振動模態(tài)，所以定子的設(shè)計參數(shù)在整個設(shè)計中是至關(guān)重要的。本文主要研究：定子齒高、齒寬與槽寬比、定子內(nèi)外國直徑、彈性支撐位置與定子所受預(yù)壓力這5項主要設(shè)計參數(shù)的重要程度與交互影響作用，麗將其他設(shè)計參數(shù)取為定值。
2.1定子齒高
rtwusm定子齒的作用是放大振動幅度，定子齒對電機(jī)的性能有很大影響，有齒情況下，電機(jī)的輸出功率要遠(yuǎn)大于無齒的情況，對空載轉(zhuǎn)速也有很大提高。定子齒將定子金屬彈性體的彎曲振動有效地轉(zhuǎn)化為驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子的切運動，因此，它的高度是一個重要的設(shè)計參數(shù)。定子齒太高或太低都會降低電機(jī)效率，通過三維有限元分析后得出齒高與其基底的厚度比為：
2.2齒寬與齒槽寬比
齒的齒槽大小對rtwusm的轉(zhuǎn)速波動有影響，當(dāng)齒寬與齒 |
