1mm金属柱微超声波电机定子模态分析

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1、1mm金属柱微超声波电机定子模态分析曲建俊，陈会国(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)摘要：对弯曲旋转实心金属柱微超声波电机的定子进行理论和实验研究，找出了影响电机定子振动模态的主要因素，提出了设计原则。制作了三个定子直径lrnm微超声波电机，它们的长度为22mm，其工作频率23kHz，在激励电压峰-峰值为220V时，其最大堵转力矩为12pN·m，空载转速为1500r／rain，并测试了该电机的空载特性。关键词：实心柱式微超声波电机；定子振动模态；影响因素0引言超声波电机是20世纪80年代以来发展起来的新型驱动器，其工作

2、原理是由压电陶瓷在弹性体的表面激发出椭圆运动，依靠定子和转子之间的摩擦力推动压在弹性体上面的运动体运动12J。因此它具有普通电磁电机所没有的低速大转矩、动态响应快、无电磁干扰、惯性小、控制特性好、定位精度高、重量轻、结构简单等突出特点，因而在工业控制、精密仪器仪表、航空航天、汽车专用电器、智能机器人等领域中有着广泛的应用前景p刮。超声波电机还可直接驱动负载，避免了使用齿轮变速而产生的振动、噪声、间隙以及低效率、难于控制等一系列问题。超声波电机是一种全新的自动控制执行和驱动元件，也是一种崭新的传动形式，是对传统电磁驱动原理的突破和

3、有力的补充【川。二十世纪末期以来，超声波电机技术得到了迅速发展，日本、美国、德国、新加坡、英国、韩国、意大利、荷兰、瑞士等国的许多大学和科研机构都有人在研究和开发超声波电机技术。其中，日本和美国处于世界领先地位。近年来，我国在这方面也取得了长足进展。在可以预见的未来，超声波电机将在全世界范围内获得广泛的应用，并将部分取代传统的微、小型电磁电机，使人们的生产、生活更为便利¨J。超声波电机按照其特性有很多种分类方法，按定子振动模态不同分为：行波型超声波电机，驻波型超声波电机，行波驻波混合型超声波电机；按电机自身的形状与结构可以分为：

4、圆盘或圆环型电机，柱状电机，平板电机；按能量输出方式分为：旋转型电机，直线移动型电机等。在所有的超声波电机里，柱状弯曲旋转超声波电机被认为是最易微型化、最易细长化的超声波电机拉J，同时由于其制备工艺相对简单，也是最容易实现产业化的超声波电机。柱式超声波电机按定子基体材料和结构的不同又可以简单的将其分类如下：，夹心式一压电片夹心式l。。。r整体压电陶瓷管式√。一L钛合金沉积压电薄膜式lr金属管粘结压电片复合式L柱式1整体压电柱式。金属柱粘结压电片式其中压电片夹心式、压电管式和压电柱式超声波电机出现的比较早，各自都有其独特的特点，也

5、．186．部分在某些领域开始应用，但要再进一步实现微型化和产业化在工艺上都有难以克服的困难和不足之处。本文研究了实心金属柱弯曲旋转超声波电机．它的定于是由一个粘贴压电片的形状为半圆半方形的金属柱组成，具有结构简单．易于微型化的优点。并用有限元软件对定子进行分析．找出了影响电机定子振动模态的主要因素，得出了一些对定子设计有参考价值的数据。制作了三台定子直径lr啪微超声波电机，并初步测试了其空载特性。1金属柱微超声波电机的结构和原理本论文所研究的金属柱微超声波电机，主要由定子、输出力矩的转子以及给转子加压的预压力机构和封装外壳组成，

6、如图所示，图l为电机结构示意图，图2为组装好的电机样机照片。其封装外壳的尺寸比较大，是考虑到组装和调试的方便，其实可以做的非常小。燕圜≮r”警。定子的振动模态对超声波电机性能有重要影响，为此，必须搞清楚哪些因素会影响定子的模态。本文研究了定r的长度、固定夹持方式和两平面夹角等对定子的振动模态的影响。2电机定子模态分析电机设计的关键是定子设计，对其要求是使定子能够在超声频段内正常振动，并且能量转换敛率义不能太低。下面我们主要从三个方面对影响定子振动模态的因素进行研究。21长度对定子振动模态的影响长度对定子振动模态的影响主要表现在对

7、振动频率的影响上，电机定子长径比过大时，它的共振频率就会很低，反之，就会很高。而当定子的共振频率低于20ld-lz时，电机工作在非超声频段内，将会产生噪音。当定子的其振频率高于100kHz时，将会增加电能转换的高频损耗，降低电机效率，增加控制难度。所以，为了降低噪音、节省能量和控制上的方便，我们一般选择电机工作频率在20—100kHz之间。通过对直释为lmm，两平面灾角为90。，不同长度的定子进行建模．并借助于ANSYS有限元分析软件对其进行模态分析，得到了它们的一阶共振频率，计算结果如表l所示：表l定子的弯曲频车6与长度啪关系

8、从表中可以看出t随着定子K度，的增加，定子两个方向的固有弯曲频率凰和正v都减小t当长度『为12mm时．五x和正v比较接近。由此，我们可以推断，当用这两个频率之间的任一频率来激励定于时，会产生两个相互垂直的弯曲模态，从而使定子产牛弯曲摇头运动：这就说明此定r在结构