行波旋转型超声电机定子和转子接触分析

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1、doi：10.6043/j.issn.0438-0479.201806023行波旋转型超声电机定子和转子接触分析*刘炯，纪跃波，赵彬伍（集美大学机械与能源工程学院，福建厦门361021）摘要：为了提高行波型超声电机机械性能，根据超声电机整体结构特点，构建影响电机机械性能主要4个参数即转子腹板厚度、定子腹板厚度、柔性部分宽度和高度，在振动分析理论基础上建立电机分析模型，基于Ansys软件仿真分析在相同边界条件下各影响参数对电机接触面接触应力分布的影响，优化结构参数使定转子接触应力均匀分布，分析得出在施加相同预压力条件下，定子和转子腹板厚度对于接触应力分布

2、的影响最小，而柔性部分的宽度和厚度影响最大，最优结构参数设计为转子腹板厚度为1mm，柔性部分高度为2mm，柔性部分宽度为0.4mm，定子腹板厚度为1.6mm。关键词：超声电机；接触分析；柔性转子；接触应力；有限元中图分类号：TM359.9文献标志码：A厦门大学学报（自然科学版）行波型超声波电机是利用压电陶瓷的逆压电效应，通过压电陶瓷使定子表面产生行波，进而使定子表面质点形成椭圆的运动轨迹[1]，并且在一定的预压力作用下，质点椭圆运动轨迹的切向摩擦力驱动转子周向运动。使电机定子产生行波通过摩擦驱动转子的一种电机，相对于电磁电机，具有转矩质量比大、低转速、

3、无电磁干扰等优点，广泛应用于医疗、航天、机器人等行业[2-4]。行波型超声电机驱动方式决定了电机结构尺寸参数对工作性能的影响。陈超等[5]分析了柔性转子厚度对超声电机工作性能的影响，认为减少定、转子的径向滑动有利于改善电机的工作效率。牛子杰[6]通过分析超声电机柔性部分对电机的影响，合理设计柔性部分尺寸，提高了电机输出转矩。有研究者[7-9]将定子腹板厚度和柔性部分宽度设计得很小，在转子承受预压力时能够产生一定的形变，使接触面积不会发生较大的变化，并使转子表面厦门大学学报（自然科学版）接触质点产生径向位移分量，从而减少定子和转子间的磨损。综合上述文献

4、，对行波型超声波电机结构优化单一，仅对柔性转子单个结构参数进行优化分析，并从输出转矩方向分析转子结构参数变化对电机的影响，未考虑结构参数变化对电机定子转子之间接触状态的影响，本研究从电机定转子结构整体进行分析，选择转子腹板厚度、定子腹板厚度、柔性部分的宽度和高度4个为主要影响参数，分析各结构参数对超声电机接触状态的影响。1定转子三维建模1.1定转子整体结构设计收稿日期：2018-6-20录用日期：2018-09-14基金项目：福建省自然科学基金(2018J01488)通信作者：ybji@jmu.edu.cn厦门大学学报（自然科学版）行波型超声波电机主要

5、由转子1、摩擦层2、定子3和压电陶瓷4组成，如图1所示。进一步，通过Ansys进行接触仿真分析，根据定子和转子最大接触应力分布图，判断接触应力分布均匀程度，分析4个结构参数即转子腹板厚度d，柔性部分高度h，柔性部分宽度a和定子腹板厚度k的变化对接触状态影响趋势和程度，并进行参数优化以达到减小接触区域磨损，和提高电机机械性能的目的。为了使定子更多的能量传递给转子，转子外径通常与定子外径相近[10-11]，本研究选取定子外径60mm、内径18mm，转子外径59mm、内径18mm，摩擦片厚度0.5mm建立行波型超声电机3D结构模型，如图2所示。1-定子，2-

6、压电陶瓷，3-摩擦层，4-转子（a）定转子剖视图（b）A局部放大图（c）B局部放大图厦门大学学报（自然科学版）图1定转子结构图Fig.1Statorandrotorstructurediagram图2定转子3D结构模型Fig.23Dstructuremodelofstatorandrotor1.2三维模型生成应用有限元计算软件厦门大学学报（自然科学版）Ansys建立超声电机的接触模型如图2所示，选择三维20节点单元solid95对定子和转子进行网格划分，根据接触面接触对的设置方法将定子表面设置为目标面，将摩擦层与定子接触的下表面设置为接触面，并设定接触

7、对的摩擦系数为μ=0.15，根据电机工作的实际状况，对定子的螺钉孔进行全约束，对转子施加径向约束，使其不能发生平动，在转子的上表面施加预压力F=120N，使定转子充分接触以传递转矩。由于定子上的压电陶瓷在静态时力的作用较小，所以可忽略考虑压电陶瓷对接触应力分布产生的影响，超声电机构件的材料参数如表1所示，各个部分参数的选择如表2所示。表1定转子材料主要参数厦门大学学报（自然科学版）Tab.1Mainparametersofstatorandrotormaterial弹性模量密度名称材料泊松比/（1010N·m2）/（kg·m3）定子磷青铜10.1086

8、240.37摩擦聚四氟0.1225000.37层乙烯硬铝转子7.3027800.31合金表2电