王笑竹，張 健

旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)壓電振子的研究

王笑竹，張 健

（營口理工學(xué)院，遼寧營口 115014）

運(yùn)用ANSYS軟件對圓盤形壓電振子進(jìn)行模態(tài)分析，分析了圓環(huán)凸齒高、附加齒高對彎曲模態(tài)的影響。結(jié)果表明，當(dāng)凸齒高為2.1 mm、附加齒高為0.6 mm時，圓盤形壓電振子具有理想的振型且齒的位置最佳。根據(jù)模態(tài)分析結(jié)果試制了圓盤形振子，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模態(tài)分析結(jié)果大致相同。

模態(tài)分析 圓盤形 齒 實(shí)驗(yàn)測試

0 引言

超聲電機(jī)是一種直接驅(qū)動器，如果設(shè)計(jì)合理，應(yīng)用得當(dāng)，超聲電機(jī)可和電磁電機(jī)取長補(bǔ)短，獲得更加廣泛而有效的應(yīng)用。駐波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)作為行波超聲電機(jī)的必要補(bǔ)充，因其具有驅(qū)動和控制電路簡單, 輔助裝置較小等突出優(yōu)點(diǎn)，近年來受到人們的普遍關(guān)注[1～2]。本文依據(jù)經(jīng)典直線駐波超聲電機(jī)的驅(qū)動原理，提出一種多驅(qū)動齒的新型旋轉(zhuǎn)駐波超聲電機(jī)，該電機(jī)振子能在預(yù)先設(shè)計(jì)的面外彎曲模態(tài)下，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動齒的最佳位置匹配。

1 旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的振子結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)的振子結(jié)構(gòu)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)成每隔一定角度，環(huán)形表面突出一個高度。在ANSYS中建立該振子模型，通過有限元分析計(jì)算，振子上表面的凸齒寬度影響振子的振動頻率以及凸齒在振動模態(tài)中的位置，進(jìn)而影響超聲電機(jī)的性能。為了修正振動模態(tài)，在凸齒旁添加有一定寬度但比凸齒低的附加齒來改善振動模態(tài)，如圖1所示。圓盤形振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖1 帶附加齒的圓盤形振子

表1　圓盤形振子的結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

根據(jù)前期數(shù)值分析，對振子選擇6階彎曲模態(tài)進(jìn)行研究，對模型施加約束并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圓環(huán)振子在X、Y方向固定，Z方向自由，模態(tài)分析結(jié)果如圖2所示?，F(xiàn)在需要調(diào)整外徑內(nèi)徑尺寸，找出圓環(huán)形振子在6階彎曲模態(tài)情況下兩個頻率差為零的兩個模態(tài)

圖2 圓盤形振子6階彎曲模態(tài)圖

2 圓盤形振子直徑尺寸對彎曲模態(tài)的影響

依據(jù)前期研究對圓環(huán)形振子的研究大部分集中在振子厚度、圓盤內(nèi)徑、外徑數(shù)等參數(shù)的研究。本文主要研究凸齒高、附加齒高對圓盤形振子彎曲模態(tài)的影響，分析模態(tài)一致性問題。

將圓盤形振子的內(nèi)徑、外徑、基體的厚度、兩種齒寬固定，改變兩種齒的高度，在ANSYS中進(jìn)行動態(tài)設(shè)計(jì)，分析時主要觀察兩方面變化，一是振子凸齒在Z方向的振幅，二是凸齒在振型中的位置。圖3（a）～（h）給出了圓盤形振子在6階彎曲模態(tài)下，在兩種不同齒的高度時，振子的振幅（截取一部分）變化圖。從圖中可以看出，當(dāng)凸齒高為2.1 mm，附加齒高為0.6 mm時，振子的振幅最大。此時齒的位置復(fù)合設(shè)計(jì)要求如圖4所示。在其余條件下，振子振幅及凸齒所在位置不符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 帶附加齒振子有限元模態(tài)分析的相對振幅分布

3 圓盤形振子的實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)模態(tài)分析的結(jié)果，按照結(jié)構(gòu)參數(shù)制作了圓盤形振子的實(shí)物，如圖5所示。

圖5 實(shí)物照片

對旋轉(zhuǎn)型駐波超聲電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，得到電機(jī)的工作頻率分別為50.50 kHz和50.60 kHz，頻率差為100 Hz，與模擬分析結(jié)果相近，其差異是由制作時的誤差及粘貼陶瓷片時的誤差引起的。

4 結(jié)論

1）圓盤形振子的凸齒高、附加齒高對彎曲模態(tài)的頻率影響較大；

2）當(dāng)凸齒高為2.1 mm、附加齒高為0.6 mm時，圓盤形振子的彎曲模態(tài)復(fù)合要求，振幅最大且齒的位置最好。

[1] 胡敏強(qiáng), 金龍, 顧菊平. 超聲波電機(jī)原理與設(shè)計(jì). 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[2] 陳永校, 郭吉豐. 超聲波電動機(jī). 浙江: 浙江大學(xué)出版社, 1994.

[3] 上羽貞行, 富川義郎著. 楊志剛, 鄭學(xué)倫譯. 超聲波馬達(dá)理論與應(yīng)用. 上海: 上海科學(xué)技術(shù)出版社, 1998.

[4] S. Ueha, Y.Tomikawa. Ultrasonic motors-theory and application. Oxford science publications, 1993.

[5] K.T.Chau, B.Shi, et al. A new design method and half-step operation for ultrasonic stepping motors. IEEE Transaction on Industry Appications. 2003, 39(4): 953-960.

[6] T. Kanda, A. Makino et al. A micro ultrasonic motor using a micro-machined cylindrical bulk PZT transducer. Sensors and Actuators, A, 127, 2006: 131-138.

Research on Piezoelectric Vibrators of Rotary Ultrasonic Motors

Wang Xiaozhu，Zhang Jian

（Yingkou Institute of Technology, Yingkou 115014, Liaoning, China）

TQ51

A

1003-4862（2021）11-0006-03

2021-03-25

遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃（20180550960）；遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（L2019014）；遼寧省自然科學(xué)基金聯(lián)合基金計(jì)劃項(xiàng)目（2020-YKLH-28）；

王笑竹（1982-），女，碩士，副教授，研究方向：超聲電機(jī)與機(jī)械設(shè)計(jì)的研究。

張健（1981-），男，博士，副教授，研究方向：電力電子與電力傳動、電機(jī)控制。E-mail: 330608566@qq.com