斜齿式超声电机定子振动模态有限元分析

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1、学兔兔www.xuetutu.com第6期(总第187期)机械工程与自动化NO．62014年12月MECHANICALENGINEERING&AUT0MAT10NDec．文章编号：1672—6413(2014)06—0034-03斜齿式超声电机定子振动模态的有限元分析采郑祝堂，陈建毅(厦门城市职业学院，福建厦门361008)摘要：利用ANSYS有限元软件建立斜齿式超声电机定子的有限元模型，并分析斜齿结构参数对定子振动模态的影响，得到了各结构参数对定子模态频率的影响曲线。研究结果表明，斜齿的结构参数对纵向振动模态频率的影响较小。关键词：超声电机；斜齿；振动模态；有

2、限元分析中图分类号：TP391．7：TM35文献标识码：A0弓I言(P20mm、内径if,7mm、厚度3mm。为保证换能器产超声电机是一种利用压电陶瓷逆压电效应制成的生的绝大部分能量从它的纵向前表面高效地辐射出全新概念的电机，主要由定子、转子以及施加预压力的去，前盖板的材料选用硬铝，后盖板的材料选用45钢。机构等部件构成。其中，斜齿式模态转换型超声电机压电陶瓷、前盖板、后盖板材料的主要性能参数见表1。是一种针对大力矩、单一旋向等特殊需求的超声电机。一般情况下，作为驱动力源的振动采用机电转换能力降较高的纵振子来完成，因此模态转换型超声电机的转／压换效率较高，适于大

3、功率输出。其基本工作原理是：利用压电材料的逆压电效应，将交流电信号转变成定子图1斜齿式超声电机的定子结构示意图表面超声频率的机械纵向振动，借助于定子表面的斜表l3种材料的主要性能参数齿与转子的相互压紧，诱发定子上的斜齿产生弹性变材料密度p(kg／m。)纵波波速c(m／s)弹性模量(GPa)泊松比形，使斜齿端面质点产生椭圆运动，实现转子单方向旋PZT一87．5×1033．3×10076．50．32转运动。该电机定子上的斜齿结构是实现纵弯振动模硬铝2．7×1O5．1×10370O．3O态转换的关键。45钢7．8×10a5．1×lOs2090．28本文以斜齿式超声电机

4、为研究对象，利用AN—本设计中，斜齿式超声电机定子的前盖板和后盖SYS分析软件建立了带斜齿结构定子的有限元模型，板长度是根据半波长换能器的频率方程来计算的，位对其进行了仿真分析，并探讨了定子的结构形状及几移节面位于前盖板和压电陶瓷堆的结合面处，频率方何尺寸对超声电机的振动模态、谐振频率的影响，为该程表达式如下L1]：类型电机的结构优化设计提供依据。一CI定子的有限元模型tan(k0zo)tan(k1l】)一．(1)JD1Cll斜齿式超声电机的定子主要包括压电换能器和斜其中：，C。，S。分别为压电陶瓷的密度、声速和截面齿(或者称振动片)，其结构如图1所示。压电换能

5、器积，f，S。分别为后盖板的密度、声速和截面积；k。，由前盖板、压电陶瓷片(PZT一8)和后盖板组成，并通过l。及k，z分别为压电陶瓷及后盖板的波数和长度，预应力螺栓将三者连接起来，其作用是将电能转换为‘)一‘)一，忌。：，1一上，机械振动能；斜齿的作用是将轴向纵振转化为弯曲振．厂为振动频率。C0C1动，使斜齿端面质点形成椭圆运动并推动转子运动。本文将斜齿式超声电机的谐振频率定为40kHz，1．I压电换能器的设计计算根据式(1)，可以求解得到后盖板的长度l一19．5本设计中压电陶瓷材料选取具有高机电耦合系mm；而前盖板的长度l等于四分之一波长(即Z一数、低介电损

6、耗的PZT一8，取2片，主要尺寸为外径A／4)，—Cz／f，Cz为前盖板的纵波波速，可以求得z一福建省教育厅A类科技项目(JA11345)收稿日期：2014—03—03；修回日期：2014—06—03作者简介：郑祝堂(1967一)，男，山东乳山人，副教授，本科，研究方向为超声电机的开发。学兔兔www.xuetutu.com学兔兔www.xuetutu.com·36·机械工程与自动化2014年第6期斜齿超声电机定子的3种主要振动模态谐振频率理论分析计算比较困难，需要进行一些简化。本文利与斜齿厚度的关系如图6所示。其中，斜齿的基本结用有限元方法对斜齿式超声电机定子进

7、行建模，可模构参数如宽度、长度、倾斜角度均与图4设置一致。从拟实际超声电机定子的振动模态，并分析振动模态随图6可以看出，斜齿厚度对3种振动模态谐振频率的斜齿结构参数的变化情况。得到以下结论：①增加斜影响较小。齿数量，可以使纵向振动谐振频率略有减小；②斜齿角60度和斜齿厚度对纵向振动的谐振频率的影响小；③实55际应用中，采用有限元数值仿真可以更好地对超声电量50机定子结构进行设计和修正，获得需要的振动模态与谐振频率，使得设计的超声电机的性能更好、更加可靠。25参考文献：20[-11林书玉．超声换能器的原理及设计[M]．北京：科学出版斜齿厚度／mm社，2004．图6

8、3种振动模态谐振频率与斜