超声波电动机定子振动模态及影响因素分析
吕雏，罗卫东，曹争光，杨荣江
(贵州大学，贵州贵阳550003)
摘要：在研究圆柱定子超声波电动机结构和工作原理的基础上，运用有限元分析软件建立了超声波电动机定子的有限元计算模型，对纵向、弯曲振动模态进行了分析，研究了定子结构参数对驱动振子谐振频率的影响，研究结论为回}主定子超声波电动机设计提供了相关理论依据。
关键词：定子；结构参数；振动模态
中图分类号：TM383 文献标识码：A 文章编号：1004—7018(2010)05—0029—02
0引言
超声波电动机是一种利用压电材料的逆压电效应促使定子弹性体产生振动，并通过摩擦来驱动转子的新型电动机。与传统电动机相比，超声波电动机没有电磁绕组和磁极，是一种全新的驱动方式，是对传统电磁驱动原理的突破，具有良好的应用前景。
本文利用有限元方法对圆柱定子超声波电动机的定子进行仿真数值计算和参数分析，讨论和归纳了参数改变对电机定子谐振频率和振型的影响。
1电机结构原理及定子有限元分析
1 1电机结构及原理
由于驱动原理的不同，超声波电动机形成了不同种类的结构形式。本文讨论的圆柱定子超声波电动机是目前应用和研究较多的超声波电动机之一。图1为该种超声波电动机的一种结构形式，其运行机理是：A、B两组压电陶瓷元件组空间互差90。置放，用来激发弯曲振动；C组压电陶瓷元件组用来激发纵向振动。在压电陶瓷元件_4组和B组，A(B)组和C组上通人相位差为90。的超声交流电，从而产生两相弯曲振动模态，通过模态合成在定子表面上任一质点形成椭圆运动，从而驱动球形转子旋转。因此，为提高系统运行效率，有必要对定子弯曲振动共振频率及其影响因素进行分析。
1.2定子弯曲振动有限元分析
利用有限元软件ANsYs对两种材料构成的超声波电动机定子进行分析计算，形象地模拟实际定子振动情况并获得定量化的分析结果。 建立的超声波电动机定子有限元模型如图
2所示，通过粘合操作将各部分连接成一个整体。从左往右依次是：弹性体，第一压电片，弹性体，第二压电片，弹性体，第三压电片，底座。其中，定子基座的尺寸：外径R=10 mm、内径r=6 mm、高度^：=15 mm；定子弹性体的尺寸：外径R=10 mm、内径r=6 mm、高度^，=10 mm；压电陶瓷的尺寸：外径R=10 mm、r=内径6mm、高度h1=1 mm。定子材料如表1所示。
通过对图2定子模型的有限元计算，得到该圆柱定子振动的不同模态，图3为圆柱定子的三个工作振型。他们分别是三阶置轴向振动、三阶y轴向振动以及三阶z轴向振动。
理论上，电机定子任意阶次的纵、弯振模态只要能满足频率一致性要求，就可以驱动电机转子转率一致性要求，就可以驱动电机转子转子动。但是在试验中发现，四阶以上的振动
模态会产生一些不良影响。例如，阶次越高的模态越不易激发；在高阶振动频率范围内，存在较多、较密集的非工作模态，工作模态很难远离它们，易造成模态干扰。因此这里只把振动形态选择到三阶的振动工作模态。
2定子结构参数对振动模态共振频率的影响
影响超声波电动机振动模态频率的因素有多种，主要有振子的几何结构和相应的材料特性，以及边界条件。为实现在同一频率下同时激发纵向和弯曲的复合振动模态，使电机高效、可靠工作。本文分析定子的四个结构参数：定子圆环内径r；定子圆环外径R；压电陶瓷片厚度h1；金属弹性体厚度h2的改变对三阶振动模态频率的影H自，以便合理设计超声波电动机定子结构。
(1)定子内外径之比对振动模态频率的影H向 通过模拟计算得到三阶振动模态频率与定子圆环内外径之比的关系。初始条件为：h1=1 mm，h2=10 mm，10 mm，r／R的值从O．2取至O 8，其中每次增幅取为O l，结 果如图4所示。
从图4可看出，振动模态频率值随定子圆环内外径之比的增大而上升。从总体上看，频率值变化幅度很小。
(2)定子圆环外径对振动模态频率的影响
压电陶瓷片和金属弹性体的厚度一定，定子圆环内外径之比一定时，三阶振动模态频率与定子圆环外径的关系。初始条件为：h1=1mm,h2=10mm,r/R=0.6,R的值从5mm取至20mm,其中每次增幅为5mm。计算结果如图5所示。
由图5可知，三阶振动模态的频率值随定子圆环外径的增大而增大，增大幅度随定子圆环外径的增大而明显趋缓。
(3)压电片及金属弹性体厚度对振动模态频率的影响
定子圆环内外径之比一定，大小一定，定子总厚度一定时，压电陶瓷片与金属弹性体的不同厚度比对模态频率的影响：初始条件为：r/R=O 6，R=lOmm，定子总厚度不变， 为48mm，基体厚度不变，h2的值随压电陶瓷片增加而减少，其中h1的值由1 mm取至3mm，每次增幅取lmm。  结果如图6所示。 由图6可知，在定子总厚度不变的条件下，随着压电陶瓷片厚度增加，金属弹性体厚度减少，即h1／h2的值增大，三阶振动模态频率值逐渐减少。
3结论
针对圆柱定子超声波电动机定子的振动模态进行有限元分析得出定子振动模态，并选择三阶振动形态为常用工作模态，可以得出振动模态的频率值随着结构参数改变按一定趋势变化的结论。(1)振动模态频率值随定子圆环内外径之比的增大而上升；(2)振动模态的频率值随定子国环外径的增大而增大；(3)随着压电陶瓷片厚度增加，金属弹性体厚度减少，振动模态频率值逐渐减少。本研究为以三阶振动模态为工作模态的超声波电动机的设计提供了相关理论依据。
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