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一阶电路暂态响应的结果分析。_研究与设计|基于ANSYS的径向驻波型超声波电机设计与分析...

时间:2022-10-12 12:00:00 150mm磁致伸缩位移传感器

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论文摘要

对采用径向振动的驻波超声波电机进行了研究。首先分析电机的结构,然后使用有限元分析软件ANSYS建立定子有限元模型,分析压电陶瓷结构尺寸对定子振动特性的影响,确定定子结构尺寸,进一步分析定子的瞬态响应特性。最后,根据理论分析结果,对样机进行了测试,表明设计的电机具有良好的输出性能。

基于ANSYS径向驻波超声波电机的设计和分析

蒋春容、夏凯、陆旦宏

(南京工程学院 江苏电力工程学院 南京211167)

0 引 言

随着科学技术的飞速发展,航空航天、汽车电器、医疗设备、武器装备和精密机械对电机的要求越来越高: 轻量化、快速精确定位、低噪音、电磁兼容、低速大扭矩等。由于结构和工作原理的局限性,传统电磁电机不能很好地满足这些特殊领域的要求。超声波电机在这些特殊领域具有良好的应用前景,因其高能密度、断电自、快速响应、无电磁干扰等电磁电机无法比拟的优国内外广泛关注[1-2]。 超声波电机结构设计灵活多变,采用不同的振动模式可建不同的电机结构。到目前为止,已经提出了各种类型的超声波电机,如行波型[3-4]、驻波型[5]、模态转换型[6]等。其中,对行波型超声波电机的研究最为广泛和成熟。近年来,许多学者研究了驻波型超声波电机,如Li等[7]研究了一种双模式驻波直线超声电机;王波等[8]提出了双向直线运动板式驻波超声电机;姜晓宇等[9]研究了环定子驻波步进超声电机。在对驻波超声电机的研究中,采用板式弯曲振动的驻波超声电机较为常见,运动形式以直线运动为主,对径向伸缩振动的驻波超声电机的研究较少。本文研究了一种 径向驻波超声波电机,以定子的一阶径向伸缩振动为工作模式,实现电机的旋转运动。首先,利用有限元分析软件设计电机结构ANSYS分析不同结构尺寸对定子振动性能的影响,然后确定定子的结构尺寸,步分析定子的瞬态响应特性。最后,对电机样机进行了试验和测试。试验结果表明,径向驻波超声波电机具有良好的输出性能。 1 电机结构尺寸设计径向驻波超声波电机的结构如图1所示。 定子、转子和转轴构成,其中定子包括压电陶瓷、金属环和弹性叶片。压电陶瓷粘接在金属环内部,8个弹性叶片沿周向均匀布置在金属环外圈。弹性叶片与转子内侧接触并保持一定的弹性弯曲变形。 压电陶瓷沿轴向极化。在压电陶瓷的上下表面施加特定频率的单相交流,刺激压电陶瓷和金属环的一阶径向膨胀振动,即径向驻波振动,驱动弹性叶片产生径向位移。弹性叶片与转子接触,将径向位移转化为沿转子切向运动,从而促进转子旋转。

图1 径向驻波超声波电机 定子是超声波电机的关键部件,其结构尺寸的选择是否合理,将直接影响电机的输出性能。在径向驻波超声波电机中,定子结构的主要部分是压电陶瓷,其结构尺寸将对定子的振动特性起决定性作用。因此,有必要分析压电陶瓷的结构尺寸对定子振动性能的影响,然后确定压电陶瓷的结构尺寸。压电陶瓷的结构尺寸包括三个参数,即内半径r1、外半径r2、高度h,如图2所示。由于金属环的径向厚度较小,金属环的径向厚度为0.5 mm金属环的内外半径随压电陶瓷的外半径而变化。为了保持弹性叶片的弹性弯曲变形能力,弹性叶片的厚度很薄,且弹性叶片的作用是将金属环的径向振动通过自身的弯曲变形转化为转子的旋转运动,因此在分析压电陶瓷的结构尺寸对定子径向振动特性的影响时可以将弹性叶片忽略。

图2 压电陶瓷结构参数选择有限元分析软件,确定压电陶瓷的结构尺寸参数ANSYS对压电陶瓷的内半径、外半径和高度对定子振动特性的影响进行模态分析。在建立ANSYS在有限元模型中,只需建立含有压电陶瓷和金属环的定子有限元模型,如图3所示。选择适合直接耦合解的模型 八节点六面体SOLID5耦合单元用于网格划分。

图3 定子有限元模型模型中的材料参数设置如表1所示。

表1 设置材料参数

根据电机的设计,采用定子一阶径向振动作为工作模式。首先分析压电陶瓷的内半径r1.选择压电陶瓷的外半径r2为10 mm、高度h为5 mm内半径为基准r1选取4~6 mm、每隔0.5 mm选取一个点进行模态分析,得到工作模态的共振频率f随压电陶瓷内半径r变化如图所示 4(a)所示。由图 4(a)可以看出,压电陶瓷的内半径r随着1的增加,定子的一阶径向振动频率f逐渐降低,并呈近似线性降低关系。同样,选择压电陶瓷的内半径r1为5 mm、高度h为5 mm外半径为基准r2选取8~12 mm、每隔1 mm选择一个点进行模态分析,以获得压电陶瓷外半径的工作模态共振频率fr变化如图所示 4(b)所示。需要注意的是, 当压电陶瓷的外半径发生变化时,金属环的内半径和外半径同步变化,金属环的径向厚度为0.5 mm不变。由图4(b)可以看出,压电陶瓷的外半径r随着2的增加,一阶径向振动频率f呈近似线性降低。最后,选择压电陶瓷的内半径r1为5 mm、外半径r2为10 mm高度h作为基准选择3~7 mm、每隔1 mm选择一个点进行模态分析,得到工作模态的共振频率f随压电陶瓷高度h的变化 图4(c)所示。由图4(c)定子工作模式的共振频率f基本不受压电陶瓷高度h变化的影响。

(a)径向振动频率和压电陶瓷 内半径 的关系

(b)径向振动频率和压电陶瓷 外半径 的关系

(c)径向振动频率和压电陶瓷 高度 的关系 图4 一阶径向振动频率与压电陶瓷结构尺寸的关系根据以上分析,压电陶瓷的内半径和外半径对定子共振频率影响较大,而压电陶瓷的高度影响较小。根据以上分析,初步选择压电陶瓷的尺寸: 内半径r1为5 mm,外半径r2为10 mm,高度h为5 mm。压电陶瓷尺寸初步确定后,进一步分析定子工作模式与前后干扰模式之间的共振频率距离是否足够,以确保定子工作时不受其他模式的干扰。 如果工作模式附近有干扰模式,会导致模式混合,最终影响超声波电机的机械性能和运行稳定性。一般来说,当定子工作模式的共振频率与前后干扰模式的共振频率相差2时 kHz在上述情况下,可以避免干扰模式对工作模式的影响[10]。根据上述选定的结构尺寸建立模型,得到定子工作模式及其相应的共振频率、前后干扰模式及其相应的共振频率如图5所示。根据图5,定子工作模式的共振频率为72.3 kHz,前后干扰模式的共振频率分别为64.8 kHz和74.4 kHz。 前后干扰模式与工作模式的共振频率相差2 kHz前后干扰模态对定子工作模态的影响可以忽略不计。因此,压电陶瓷的结构尺寸选择是可行的。

(a) 工作模态 及共振频率

(b) 前一个干扰模态 及共振频率

(c) 后干扰模态 及共振频率 图5 振动模式及其相应的共振频率 2 分析定子瞬态动力学特性为了分析定子在特定电压激励下的振动特性,研究了定子的瞬态动力学特性。在瞬态分析中,在压电陶瓷的上下表面施加电压,表达式为

图6显示了定子金属环外表面质点的径向振动位移ur时间响应曲线。从图6可以看出,定子径向振动约为1.4 ms,表明电机响应速度快。稳态后,定子径向振幅达到0.85 μm,表明定子具有良好的激振效果。

图6 定子瞬态响应特性 3 样机及试验验证径向驻波超声波电机样机根据理论分析结果确定,如图7所示。对定子进行阻抗频率特性测试,以验证理论分析结果。测试时设置70个扫频范围~80 kHz,如图8所示。试验结果表明,定子一阶径向振动模态的共振频率为73.5 kHz,接近理论分析结果。 误差的原因是制造商提供的典型压电陶瓷参数偏离了实际参数。最后,测试样机的转矩-转速特性。给电机施加的幅度为80 V、频率为74 kHz测试结果如图9所示: 电机的空载转速约为30 r/min,堵转力矩约为0.16 N·m。试验结果表明,径向驻波超声波电机具有良好的输出性能。

图7 径向驻波超声波电机样品

图8 定子阻抗频率特性

图9 电机转矩-转速特性 4 结 语本文研究了径向驻波超声波电机的结构,利用有限元分析软件建立了定子的有限元模型,研究了压电陶瓷内半径、外半径和高度变化对定子振动的影响。结果表明, 压电陶瓷内外半径的增加降低了定子一阶径向振动的共振频率,而压电陶瓷高度的变化基本上对一阶径向振动的共振频率没有影响。定子的结构尺寸根据理论分析结果确定,定子的瞬态响应特性进一步分析,结果表明定子具有良好的瞬态响应特性。最后试制了电机样机,测试了样机。试验结果表明,径向驻波超声波电机具有良好的输出性能。 详见原文。 本文发表于2020年第四期《电机与控制应用》。

广 告

中机国际工程设计研究院有限责任公司

网址:www.cmie.cn

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