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  文章標題:柱狀彎曲旋轉超聲波電動機定子振動特性
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作者:ilovewhat  發表時間:2010-1-27 16:03:46
                                                                 柱狀彎曲旋轉超聲波電動機定子振動特性
 
    摘要:超聲波電動機定子共振頻率的確定是電機設計的關鍵問題之一。隨著定子徑長比的增大,轉動慣量與剪切變形對共振頻率的影啊應加以考慮。通過分析目由一自由鐵摩辛柯梁的彎曲振動,完善了考慮動慣量與剪切變形時用于兆振頻率計算的解析公式,利用有限元方法,分別對長25mm、50mm、100mm,內外徑比為O j的45號鋼等截面梁,進行r仿真與數值計算。結果表明,在徑長比小于1時,兩者結果基本致。最后,通連對已有樣機的實例驗證,比較了仿真、數值計算以及實測三種研究方法的研究結果。比較結果表明,三者所得共振頻率值吻合情況較好。
    關鍵詞:超聲波電動機;彎曲振動;解析公式
O引言
    彎曲旋轉超聲波電動機是超聲波電動機中的一種,它是利用柱體定子在受到與其彎振吲有叛率相對應的電信號作用下,沿定子軸向產生兩路正交的彎曲駐波振動,進而在定子端面合成一行
波振動,由此行波實現轉子的驅動lJ J,最終達到機械能輸出的目的。目前此類超聲波電動機已在照相機、精密微動臺等驅動系統中得到了成功應用12。
    隨著微機電系統的發展,對超聲驅動器提出了微型化要求,使得超聲波電動機定子在保持鍰型徑向尺寸的同時,定子長度在進一步縮短。J,導致定子外徑與長度的比值增大。隨著定子徑長比的增大,轉動慣量與剪切變形對其共振頻率的影響將不能忽略,而超聲定子振動頻率的確定不但是定子振動特性研究也是電機設計中的關鍵問題之一。由此,若采用基于細長梁假設的自莊一自由彎曲振動共振頻率解析公式口J,計算結果將產生一定誤差。文獻[9]與文獻[10]考慮了轉動慣量與剪切變形的影響,擴寬了公式適用的徑長比范圍,但在求解共振頻率解析公式時,亦用到了細長梁的假設條件,因此在用于頻率計算時,適用范圍仍然受到一定的限制。
    本文在考慮轉動慣量與剪切變形影響的基礎t,對目由一自由等截面鐵摩辛柯梁的彎曲振動.進行了理論分析,推導出適用于大徑長比范圍(0式,完善了相關理論。通過ANsYs仿真及實例驗證,仿真與實例驗證結果證明了解析公式的正確性。
1理論研究
1 1解析公式的推導
    隨著超聲波電動機定子徑長比的增大,轉動慣量與剪切變形對其共振頻率的影Ⅱ『司將不能忽略。考慮轉動慣量與剪切變形時,均質等截面梁的振動微分方程可表示為【11】

(1)


式中:E一材料彈性模量(GPa):G  材料切變模量(GPa);p一材料密度(kg/m3);I  梁對中心軸的慣性矩(m4);A一彎曲梁的截面積(m。):k,  與梁截面形狀有關的常數,矩形截
面時k—O.833,圓形截面時k,=0.901。自由一自由梁的彎曲振動方程:


       
A1與振動幅值有關的系數W一彎曲振動共振角頻率(rad/s);竹一激振信號與振動啊應間相位差(rad)。
  將(2)微分后代入(1)式得:


       同理可表述為,式中各參數含義同前所述。
    由式(6)分析得,當梁的徑長比較小,即為細長梁時,修正系數日,趨近于1,無需修正;當梁的徑長比較大時,修正系數O<Ⅳ,<1,需要考慮轉動慣量與剪切變形對固有頻率的影響,應
當對不考慮轉動慣量與剪切變形時的固有頻率進行修正。
1 2不同解析公式的比較
    (I)(II)(III)分別為已發表論文和本文用于自由.自由彎曲振動梁共振頻率計算的解析公式。

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