行波超聲波電動機性能分析及其優(yōu)化設(shè)計

1、1原理演示仿真軟件主要功能模塊該部分的主要作用是以動畫的方式形象地演示超聲波電動機的工作原理。主要有定子內(nèi)的行波演示、定子齒表面質(zhì)點的橢圓運動軌跡產(chǎn)生原理演示以及超聲波電動機的驅(qū)動和動力輸出機理演示，以便對超聲波電動機的工作原理有一個直觀的了解。另外，還可仿真演示出各種非理想情況下（如兩相振幅不等、或相位差不等于9tb等）產(chǎn)生的行波和橢圓運動的畸變。2參數(shù)設(shè)定資金項目：國家自然科學(xué)基金重點項目（50235010）該部分的主要作用是輸入超聲波電動機的各類參數(shù)A行波超聲波電動機性能分析及其優(yōu)化設(shè)計值（主要是定子、摩擦層和壓電陶瓷的材料特性參數(shù)、幾何尺寸參數(shù)以及預(yù)壓力、模態(tài)階次等其它參數(shù)），以便隨后

2、進行超聲波電動機的性能預(yù)測或仿真參數(shù)分析。2.3性能預(yù)測該部分依據(jù)所給定的超聲波電動機各類參數(shù)值，可以計算出超聲波電動機在給定幅度的輸入交變電壓激振下的瞬態(tài)響應(yīng)（如起動關(guān)斷特性，超調(diào)量及穩(wěn)定幅值等等），還可計算出在某一給定的預(yù)壓力下，不同負載力矩所對應(yīng)的電機轉(zhuǎn)速，即超聲波電動機的負載特性曲線。本模塊的主要功能就是預(yù)測出處于設(shè)計階段的超聲波電動機的輸出特性，以便核對設(shè)計原形是否能達到預(yù)期性能。2.4參數(shù)分析為了評價超聲波電動機的動力特性，我們提出了如下指標：定子各階彎曲振動的固有頻率；對應(yīng)于各階彎曲模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度；基于壓電陶瓷激振的定子的響應(yīng)位移、垂向振動速度幅值及相應(yīng)的轉(zhuǎn)子的切向轉(zhuǎn)速

3、等?；趬弘娞沾杉ふ竦牧ο禂?shù)及機電耦合系數(shù)；壓電陶瓷/彈性體復(fù)合定子振動體等效電路中的等效電容及等效電感。壓電陶瓷對應(yīng)于各階彎曲模態(tài)的夾持電容。這些動力特性描述指標既包含機械特性也包含對應(yīng)的電學(xué)特性，比較集中地反映了超聲波電動機的動力特性。尤其是電學(xué)特性指標，已往只有在超聲波電動機制造完成后，利用等效電路原理測量后得到，而本文可以直接計算得到，提供了超聲波電動機的可預(yù)測性，并能很有效地通過。為利用該軟件對定子動力特性指標進行變模態(tài)階次分析的仿真結(jié)果示例。3行波超聲波電動機的優(yōu)化設(shè)計原則超聲波電動機的設(shè)計涉及到眾多參數(shù)的確定，各參數(shù)對超聲波電動機的動力學(xué)指標或多或少地都有影響，我們在對超聲波電動

4、機進行設(shè)計和參數(shù)選定時本著如下的原則：超聲波電動機性能預(yù)測及參數(shù)分析程序流程定子的動力特性指標的參數(shù)分析示例圖有其它的一些附加條件，諸如最高轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)力矩、對外負載變化的敏感程度（負載特性的軟硬）等等，甚至還有對尺寸（外徑、厚度）、重量等的限定，在某些特殊場合下如航空航天、精密儀表、微機電系統(tǒng)等，有時這些會變成必須嚴格遵守的限定條件。因此，在超聲波電動機設(shè)計之初，應(yīng)首先明確最為重點的設(shè)計要求。本文認為，超聲波電動機的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩是兩個重要的設(shè)計指標，根據(jù)超聲波電動機負載特性曲線的特點，確定了此兩指標后，超聲波電動機的負載特性就大致確定了。另外一個設(shè)計指標是定子的直徑。定子直徑與空載轉(zhuǎn)速和

5、堵轉(zhuǎn)力矩都有一定的關(guān)系，確定了空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩后，定子的直徑也就大體有了一個范圍。為了產(chǎn)品設(shè)計的標準化，一般要預(yù)先選定一個比較規(guī)整的值。確定與設(shè)計指標密切相關(guān)的設(shè)計參數(shù)與空載轉(zhuǎn)速直接相關(guān)的參數(shù)主要有超聲波電動機的工作模態(tài)（波數(shù)、頻率）、振幅、定子的直徑、齒高等，而與堵轉(zhuǎn)力矩密切相關(guān)的是摩擦材料、摩擦系數(shù)和預(yù)壓力。超聲波電動機的設(shè)計要求一般是其額定輸出功率，即在一定的轉(zhuǎn)速下輸出一定的扭矩。除此之外，往往還超聲波電動機的總體優(yōu)化目標當然是在滿足設(shè)計要求的前提下達到最高的效率。但更應(yīng)注意的是要明確各功能模塊的局部優(yōu)化目標，并盡量考慮到各模塊之間的相互影響。在超聲波電動機的整體數(shù)學(xué)模型還不完善的情況

6、下，這顯得尤其重要。初步選定參數(shù)范圍，進行變參數(shù)分析，分析確定優(yōu)化參數(shù)，并依據(jù)仿真模型進行性能預(yù)測。調(diào)整參數(shù)，得到最優(yōu)解。根據(jù)超聲波電動機動力系統(tǒng)的模塊劃分，為使超聲波電動機獲得良好的動力特性，主要是對其定子諧振模塊和摩擦驅(qū)動模塊進行優(yōu)化設(shè)計，即對定子和摩擦界面進行設(shè)計。超聲波電動機的定子的主要作用是在壓電陶瓷誘發(fā)應(yīng)變的激勵下產(chǎn)生諧振，從而有效地將電能轉(zhuǎn)換成機械能，并以振動能的形式保存。因而定子優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵就是在滿足設(shè)計要求的前提下，在參數(shù)可供選擇的范圍內(nèi)如何保證機電耦合能量最大程度的轉(zhuǎn)換，為此應(yīng)當從定子的模態(tài)、材質(zhì)、尺寸大小以及壓電陶瓷等幾個方面進行了考慮。摩擦界面的設(shè)計主要包含兩個方面，

7、一是摩擦材料的選擇，二是摩擦層的尺寸和預(yù)壓力的選定。本文將定子振動的阻尼損耗、機電耦合系數(shù)和和振速（隱含著振幅和預(yù)壓力）作為評價指標，三者結(jié)合起來作為定子優(yōu)化設(shè)計的目標；而將摩擦界面的功率損耗作為摩擦界面優(yōu)化設(shè)計的目標。主要是為了在滿足使用要求的情況下獲得較好的效率和摩擦驅(qū)動性能。4行波超聲波電動機的設(shè)計實例及性能分析所示是南航超聲波電動機研究中心利用本軟件系統(tǒng)開發(fā)的一種應(yīng)用于氣閥的超聲波電動機的定子及其工作模態(tài)，其各項參數(shù)如下表所示。545型氣閥超聲波電動機定子的結(jié)構(gòu)及工作模態(tài)545型氣閥超聲波電動機定子的結(jié)構(gòu)參數(shù)表外徑工作模態(tài)內(nèi)徑工作頻率定子基底厚定子材質(zhì)鋼齒高壓電陶瓷壓電陶瓷厚該電機在不

8、同預(yù)壓力下的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩變化趨勢預(yù)測結(jié)果如所示，為超聲波電動機摩擦界面在不同預(yù)壓力下的輸出功率、滑動損失功率、摩擦界面效率的變化曲線。由本設(shè)計程序得到的優(yōu)化設(shè)計細節(jié)分析的圖表很多，限于篇幅，在此不一一列舉，詳見文在對超聲波電動機進行參數(shù)的調(diào)整設(shè)計時分析發(fā)現(xiàn)，選擇B7振型比較恰當。該工作振型的頻率為36.幅（在不加預(yù)壓力時）為2Lm，機電耦合系數(shù)以及各評價指標都比較高。通過對其輸出特性的分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)壓力可選擇為100N，此時堵轉(zhuǎn)力矩為0. 16Nm，空載轉(zhuǎn)速為140r/min，對應(yīng)的間距D比零稍小，能保證定轉(zhuǎn)子的良好接觸而又不造成較大的摩擦損失，工作點可選擇在負載扭矩0.1Nm、轉(zhuǎn)速90r/min，此時摩擦界面的傳遞效率可545型氣閥超聲波電動機的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩隨預(yù)壓力的變化情況超聲波電動機摩擦界面在不同預(yù)壓力下的輸出特性5結(jié)論編制了超聲波電動機性能仿真分析軟件，可以預(yù)測出處于設(shè)計階段的超聲波電動機的輸出特性。定義了超聲波電動機的動力特性描述指標，并對之做了變參數(shù)仿真分析，可計算出各指標隨參數(shù)變化的趨勢和靈敏度。提出了超聲波電動機優(yōu)化設(shè)計的幾點理論性原則，依據(jù)動力特性仿真分析結(jié)果，給出了定子動