超聲波電動機定子振動模態及影響因素分析
呂雛，羅衛東，曹爭光，楊榮江
(貴州大學，貴州貴陽550003)
摘要：在研究圓柱定子超聲波電動機結構和工作原理的基礎上，運用有限元分析軟件建立了超聲波電動機定子的有限元計算模型，對縱向、彎曲振動模態進行了分析，研究了定子結構參數對驅動振子諧振頻率的影響，研究結論為回}主定子超聲波電動機設計提供了相關理論依據。
關鍵詞：定子；結構參數；振動模態
中圖分類號：TM383 文獻標識碼：A 文章編號：1004—7018(2010)05—0029—02
0引言
超聲波電動機是一種利用壓電材料的逆壓電效應促使定子彈性體產生振動，并通過摩擦來驅動轉子的新型電動機。與傳統電動機相比，超聲波電動機沒有電磁繞組和磁極，是一種全新的驅動方式，是對傳統電磁驅動原理的突破，具有良好的應用前景。
本文利用有限元方法對圓柱定子超聲波電動機的定子進行仿真數值計算和參數分析，討論和歸納了參數改變對電機定子諧振頻率和振型的影響。
1電機結構原理及定子有限元分析
1 1電機結構及原理
由于驅動原理的不同，超聲波電動機形成了不同種類的結構形式。本文討論的圓柱定子超聲波電動機是目前應用和研究較多的超聲波電動機之一。圖1為該種超聲波電動機的一種結構形式，其運行機理是：A、B兩組壓電陶瓷元件組空間互差90。置放，用來激發彎曲振動；C組壓電陶瓷元件組用來激發縱向振動。在壓電陶瓷元件_4組和B組，A(B)組和C組上通人相位差為90。的超聲交流電，從而產生兩相彎曲振動模態，通過模態合成在定子表面上任一質點形成橢圓運動，從而驅動球形轉子旋轉。因此，為提高系統運行效率，有必要對定子彎曲振動共振頻率及其影響因素進行分析。
1.2定子彎曲振動有限元分析
利用有限元軟件ANsYs對兩種材料構成的超聲波電動機定子進行分析計算，形象地模擬實際定子振動情況并獲得定量化的分析結果。 建立的超聲波電動機定子有限元模型如圖
2所示，通過粘合操作將各部分連接成一個整體。從左往右依次是：彈性體，第一壓電片，彈性體，第二壓電片，彈性體，第三壓電片，底座。其中，定子基座的尺寸：外徑R=10 mm、內徑r=6 mm、高度^：=15 mm；定子彈性體的尺寸：外徑R=10 mm、內徑r=6 mm、高度^，=10 mm；壓電陶瓷的尺寸：外徑R=10 mm、r=內徑6mm、高度h1=1 mm。定子材料如表1所示。
通過對圖2定子模型的有限元計算，得到該圓柱定子振動的不同模態，圖3為圓柱定子的三個工作振型。他們分別是三階置軸向振動、三階y軸向振動以及三階z軸向振動。
理論上，電機定子任意階次的縱、彎振模態只要能滿足頻率一致性要求，就可以驅動電機轉子轉率一致性要求，就可以驅動電機轉子轉子動。但是在試驗中發現，四階以上的振動
模態會產生一些不良影響。例如，階次越高的模態越不易激發；在高階振動頻率范圍內，存在較多、較密集的非工作模態，工作模態很難遠離它們，易造成模態干擾。因此這里只把振動形態選擇到三階的振動工作模態。
2定子結構參數對振動模態共振頻率的影響
影響超聲波電動機振動模態頻率的因素有多種，主要有振子的幾何結構和相應的材料特性，以及邊界條件。為實現在同一頻率下同時激發縱向和彎曲的復合振動模態，使電機高效、可靠工作。本文分析定子的四個結構參數：定子圓環內徑r；定子圓環外徑R；壓電陶瓷片厚度h1；金屬彈性體厚度h2的改變對三階振動模態頻率的影H自，以便合理設計超聲波電動機定子結構。
(1)定子內外徑之比對振動模態頻率的影H向 通過模擬計算得到三階振動模態頻率與定子圓環內外徑之比的關系。初始條件為：h1=1 mm，h2=10 mm，10 mm，r／R的值從O．2取至O 8，其中每次增幅取為O l，結 果如圖4所示。
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