二自由度行波型超声波电机定子的优化研究.pdf

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1、第34卷第5期电工电能新技术Vo1．34．NO．52015年5月AdvancedTechnologyofElectricalEngineeringandEnergyMav2015二自由度行波型超声波电机定子的优化研究傅平，胡锡幸。，郭吉丰(1．福州大学电气工程学院，福建福州350108；2．闽江学院物理学与电子信息工程系，福建福州350121；3．国网浙江省电力公司杭州供电公司，浙江杭州310009；4．浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027)摘要：本文从二自由度行波型超声波电机的驱动机理和基本结构出发，对定子结构进行了分析

2、和介绍，利用所建立的有限元模型进行定子振动的模态分析。然后以电机定子表面点的振幅最大化为优化条件，对定子的结构进行优化。接着用ANSYS软件对定子进行不同倾角下的模态分析，得到定子谐振频率和倾角的关系。最后结合所设计的定子使用激光测振系统进行测试，用于确定最佳的定子倾角。测试结果表明，优化的定子使得定子表面点的振幅较大。关键词：行波型超声波电机；二自由度；球电机；运行机理；结构设计中图分类号：TM355文献标识码：A文章编号：1003—3076(2015)05-0030-05电机的力矩和转速。本文首先从电机的工作原理和1引言基本

3、结构出发，简要介绍了电机的结构，然后结合定多自由度超声波电机不但具有单自由度超声波子外缘倾角结构分析了定子的有限元模型，而后使电机的优点，而且还可以实现多自由度驱动。从20用激光测振系统对定子进行了测试。世纪90年代中后期开始，国内外许多研究单位对多2电机的驱动机理和结构自由度电机的研究开始转向采用超声波电机实现驱动。图1为二自由度行波型超声波电机的实物图。经近二十年的研究，已研制成若干种多自由度二自由度超声波电机的转子是球形，若用二个定超声波电机。按定转子的接触方式和电机定子形状子相对驱动球形转子，球转子就能绕某一方向旋转。的

4、特征，可以把多自由度超声波电机分为行波同样道理，与这对定子相垂直的方向也安装一对定型、驻波犁、板状和柱状阴种，这几种球电子，就可以使球转子绕另一方向旋转。这样，通过两机各有优缺点。多自由度行波型超声波电机由于制对定子的复合作用，可使球转子全方位转动，即具有造技术比较成熟，结构简单，夹持力大，其应用前景二个自由度。最为看好，可用于机器人的肩腕关节、CCD云台等上述结构电机的基本问题是定转子结构和几何驱动。由文献[6]可知，若二自由度行波型超声波尺寸的确定，即电机结构参数的优化设计问题。电机的几个定子完全相同，则在相互垂直的二个方3

5、电机定子的设计向上力矩相等且完全解耦。由于二自由度行波型超声波电机的输出力矩较3．1定子有限元模型小，我们使用了外缘倾角结构的定子，可有效提图2为电机所用定子的结构图，其中A为基高电机的输出力矩和转速。由文献[8]可知，定子座，B为支撑部分，C为定子弹性金属体，虚线以上表面振幅的增加可以使定子的转速增加，从而提高部分表示定子齿，D为压电陶瓷。电机的结构尺寸收稿日期：2014—02—17基金项目国家自然科学基金项目(51277091)、中国博七后科学基金特别资助项目(2013T60637)、中尉博十后科学基金项目(2012M521

6、267)、福建省科技计划重点项目(2011H0017)、福建省中青年教师教育科研项目(JA14246)作者简介傅平(1974一)，男，福建籍，副教授，博士后，从事行渡型超声波电机及其控制方面的研究；胡锡幸(1982一)，女，浙江籍，一程帅，博士，从事电气试验及状态检修相关工作。32电工电能新技术第34卷从上面的分析可以知道，当电机结构确定以后，子的谐振频率也增大。谐响应分析得到定子表面点可以微调的只有定子的外缘倾角。1所在节点的径向振动位移、轴向振动位移随外缘3．2定子优化设计倾角变化的规律，仿真结果如图6所示。当定子驱动球转子

7、时，应使定子表面质点所形成的斜椭圆和径向的夹角与尽可能一致，这样设计的目的是为了利用径向上的位移分量，增大定转S工子接触界面上的振动幅值，提高电机能量传递的效瓣率。而定转子接触界面的能量损耗主要是由定子的径向位移造成。考虑到定子结构某些参数的限制，而外缘倾角在加工后还可以做一些微调，因此把倾角／(。)外缘倾角作为优化设计参数。在定子外径固定的情况下，随着倾角的变化，图2所示的端点2也会随图5谐振频率与倾角关系(仿真结果)之变化。Fig．5Relationbetween口andresonant~equency(simulatedr

8、esults)由于电机是由多个定子驱动，而且加工误差的存在使得每个定子的频率不一定相同，通过改变外缘倾角容易使电机定子的谐振频率趋向一致。／一～＼翟岛9／／"~综合上面的分析，径向方向上的振动幅值优化目标函数F，(L)可设为～～～～～～F(L)=I，／u一『(6