基于FEM的超声电机设计研究.pdf

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1、第8期机械设计与制造2010年8月MachineryDesign&Manufacture223文章编号：1001—3997(2010)08—0223—02基于FEM的超声电机设计研究术陈兴洲(河南工业大学机电学院，郑州450000)BasedonFEMultrasonicmotordesignresearchCHENXing-zhou(SchoolofMechanicalandElectricalEngineer，He’nanUniversityofTechnology，Zhengzhou450000，China)：【摘要】超声电机是机械学、电学、声学、材料学等多学科融合的产物，在进行

2、超声电机的设计时，ii利用FEM软件ANSYS建立了电机的模型，并进行了模态分析和谐响应分析，优化改进了初始结构。通过i：样机试验验证，对FEM软件中的超声电机建模和分析设置提出了相应的改进，结果证明利用FEM软件：设计的超声电机原理可行。；；关键词：超声电机；有限元法；压电陶瓷；设计；：【Abstract】Theultrasonicmotorismechanics，theelectricity，acoustics，thematerialstudyandSOon：：multi-disciplinaryfusionproducts，whencarriesonultrasonicmotor

3、’sdesign，establishedelectricali；machinery’smodelusingFEMsoftwareANSYS，andhascarriedonthemodalanalysisharmoniousre一；?sponseanalysis，theoptimizationimprovedtheinitialstructure．ThroughprototypicalexperimentCOn~rma一：：tion，proposedthecorrespondingimprovementtotheFEMsoftware’sultrasonicmotormodellinga

4、ndfjanalysisestablishment，theresultprovedthattheuseoftheFEMSod~waredesigntheultrasonicmotorprin一；÷cipletobefeasible．0O：Keywords：Ultrasonicmotor；Finiteelementmethod：，Piezoelectricceramics；Design：●00◆00●00●00●00●00●00◆00◆00◆00◆00●00◆00◆00◆00●00◆00◆00◆00◆00◆00◆00◆00●00◆00◆00◆00◆00◆00◆00●00◆00●00◆00

5、◆00◆00◆00◆00●00◆中图分类号：TH12，TM356文献标识码：A号的个数超声电机分为单激励超声电机、双激励超声电机和多激1概述励超声电机。其中单激励方式由于采用单组振子，可以实现采用压电超声电机(Ultrasonicmotor，USM)是一种利用压电材料的逆压电效应，通过信号源激励定子产生超声频段(f>2OKHz)内一路控制驱动信号完成对超声电机的控制，简化了电路结构，提高了可靠性，降低了成本，并且容易实现控制电路的集成化，进而的微幅振动，靠定子与动子之间的摩擦作用，从而实现动子的旋减小控制电路体积。转或直线运动的新型电机。根据超声电机工作时利用的机械波的类型通常分为行波

6、型和驻波型超声电机。2定子的结构行波型超声电机的工作原理，如图1所示。利用压电元件激实现单激励的椭圆运动轨迹的产生常见方法有通过具有模发出驱动振子弹性体的弯曲行波，当行波在弹性体内传播时，弹态转换功能的定子结构和采用专门的耦合器形式来实现。本文拟性体上表面各质点连续的做同方向的椭圆运动。该椭圆运动在振采用通过特殊的定子结构形式设计，完成定子端面椭圆运动轨迹子与滑块接触处的方向位移分量使滑块表面与处于波谷位的实现。一体结构的模态转换型定子结构，相对于专门耦合器式，置的驱动振子表面质点脱离接触，方向的位移分量“借助摩擦简化了电机的整体结构，便于装配，也利于微型化。如图2所示，力向滑块传递单

7、一方向的驱动力，从而推动滑块前进。驱动振子为本文提出了一种在定子周向开z形槽的结构形式。构成了电机的定子，滑块构成了超声电机的动子。该定子的工作原理是利用单组压电陶瓷片的激励，通过开z形槽的定子的模态转换作用，把压电陶瓷片的纵向振动转换为定子端面的弯曲行波或者纵扭复合振动模式，从而实现端面质点的i质点椭圆运动轨迹，驱动转子的旋转。3基于ANSYS的定子模态设计本文采用了成熟的有限元分析软件ANSYSIO．0进行了相关的分析计算。ANSYS软件是