圓柱彎曲型超聲波電動機定子優化設計
王中營，焦群英，陳宇，周鐵英
(1．中國農業大學，北京l00083；2．清華大學，北京100084)
摘要：圓柱彎曲型超聲波電動機在工作時其定子要具有合適的工作模態。為滿足該工作模態，早期設計中需對定子結構設計方案進行多次修改和試算，該方法耗時又不理想。在參數化設計語言APDL的環境下編制了定子結構優化設計程序。計算結果表明：該程序能準確地識別出定子所需工作模態，優化后的定子結構滿足預期的設計要求，且計算精度和設計效率得到提高。
關鍵詞：超聲波電動機；有限元法；優化設計；定子結構；壓電陶瓷
O 引 言
超聲波電動機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，激勵定子產生某些特定的超聲振動模態，并通過定、轉子間接觸面的摩擦作用來實現驅動的一種新型微特電機。其中超聲波電動機是較典型的一類行波型超聲波電動機，其定子結構采用蘭杰文振子形式，與其他超聲波電動機的結構形式相比，它不但擁有一般超聲波電動機的優點，還具有激振效率高、壓電陶瓷無需粘貼、成本低、易于實現自動化生產等優點。這類電機研制成功后，它將會部分地取代傳統的小型或微型電磁電機，在航空航天、國防軍事、微型機器人、醫療、電子設備等高科技領域中將會有廣闊的應用前景。
然而，在對該類型電機定子結構進行設計時，為了提高電機的機電轉換效率和改善電機的輸出性能，定子的工作模態應滿足一定的設計要求，這無疑會增大定子的設計難度。作者在早期設計中采用了“試算法”，即對定子結構設計方案進行多次修改和試算，它適應于修改參數數量較少的情況下，但當修改參數數量較大時該方法帶有很大的盲目性，使得整個設計工作繁瑣、低效且定子結構未必能達到****。為解決“試算法”所面臨的弊端，文獻[5 7]提出了基于MATLAB環境下自編程建立有限元模型及優化算法來對定子結構進行優化。但該方法具有編程靈活性不強、計算精度低、易出現人為錯誤等缺點，且并未考慮壓電陶瓷的壓電耦合場效應及電學邊界條件等。
針對上述問題，本文探討了基于ANsYs軟件的參數化設計語言APDI。的環境下編制了定子結構自動優化設計程序，從建立定子有限元模型、模態分析到結構優化等完全在該程序控制下自動進行，所得的定子結構能很好地滿足電機定子的設計要求，提高了該類型電機的設計效率。
1運行機理和定子模態的設計要求
圓柱彎曲型超聲波電動機的結構如圖l所示。它主要由轉子、圓柱定子和軸組成。其中定子由上配重塊和下配重塊通過螺栓將壓電陶瓷片組壓緊形成蘭杰文振子。壓電陶瓷片的極化方式和布局如圖lb所示。當在A、B兩組壓電陶瓷片上施加相位差為90o的同頻交流電壓時，由于壓電陶瓷的逆壓電效應，在定子上激勵出兩個在時間上和空間上相差90o的一階彎曲振動模態，疊加這兩個彎曲振動模態，將在定子頂端面形成一行波，行波行進時使得定子頂端面上的任一質點作橢圓運動。定子與轉子相接觸的點對轉子產生沿圓周的切向摩擦力，從而驅動壓在其上的轉子旋轉。
為有效地提高電機的機電轉換效率和改善電機的輸出性能，從結構形式上認為定子具有合適的工作振型、頻率等模態信息至關重要，根據其運行機理和特點，定子模態應滿足以下三項設計要求：
(1)激發一階彎曲振型的A、B兩組壓電陶瓷片置于該振型的波峰或波谷平面上。
(2)定子驅動端具有盡可能大的振幅。
(3)具有合適的模態頻率。
定子的模態信息取決于定子的結構形式、尺寸參數及材料組合等因素。通常情況下定子材料保持不變，因此僅從定子的結構形式和尺寸參數上進行優化。要求(1)在文獻[10]中有詳細陳述。為滿足(2)、(3)要求，通常在圓柱定子驅動端開槽和增加定子末端質量。開槽有三個目的：一是增加驅動端的振幅；二是降低定子的模態頻率，降低定子內部能量損耗，提高電機效率；三是調節定子的模態頻率，使其位于合適的范圍內。增加定子末端質量有利于增大驅動端與末端的振幅比，將振動能量盡量傳遞到驅動端，從而進一步放大驅動端的振幅。基于此，我們在定子末端增加一個凸臺。
2電機定子的優化設計
2 1定子結構設計參數的確定
上述確定了定子的結構形式，尺寸參數如何依賴于定子結構的優化設計。圖2為定子結構簡圖和尺寸參數示意圖，其中部分尺寸參數是確定的，如壓電陶 |
