行波超声波电动机性能分析及其优化设计

核心提示：　　1原理演示仿真软件主要功能模块该部分的主要作用是以动画的方式形象地演示超声波电动机的工作原理。主要有定子内的行波演示、定子齿表面质点的椭圆运动轨迹产生原理演示以及超声波电动机的驱动和动力输出机理演

　　1原理演示仿真软件主要功能模块该部分的主要作用是以动画的方式形象地演示超声波电动机的工作原理。主要有定子内的行波演示、定子齿表面质点的椭圆运动轨迹产生原理演示以及超声波电动机的驱动和动力输出机理演示，以便对超声波电动机的工作原理有一个直观的了解。另外，还可仿真演示出各种非理想情况下（如两相振幅不等、或相位差不等于9tb等）产生的行波和椭圆运动的畸变。

　　2参数设定资金项目：国家自然科学基金重点项目（50235010）该部分的主要作用是输入超声波电动机的各类参数A行波超声波电动机性能分析及其优化设计值（主要是定子、摩擦层和压电陶瓷的材料特性参数、几何尺寸参数以及预压力、模态阶次等其它参数），以便随后进行超声波电动机的性能预测或仿真参数分析。

　　2.3性能预测该部分依据所给定的超声波电动机各类参数值，可以计算出超声波电动机在给定幅度的输入交变电压激振下的瞬态响应（如起动关断特性，超调量及稳定幅值等等），还可计算出在某一给定的预压力下，不同负载力矩所对应的电机转速，即超声波电动机的负载特性曲线。本模块的主要功能就是预测出处于设计阶段的超声波电动机的输出特性，以便核对设计原形是否能达到预期性能。

　　2.4参数分析为了评价超声波电动机的动力特性，我们提出了如下指标：定子各阶弯曲振动的固有频率；对应于各阶弯曲模态的模态质量、模态刚度；基于压电陶瓷激振的定子的响应位移、垂向振动速度幅值及相应的转子的切向转速等。

　　基于压电陶瓷激振的力系数及机电耦合系数；压电陶瓷/弹性体复合定子振动体等效电路中的等效电容及等效电感。

　　压电陶瓷对应于各阶弯曲模态的夹持电容。

　　这些动力特性描述指标既包含机械特性也包含对应的电学特性，比较集中地反映了超声波电动机的动力特性。尤其是电学特性指标，已往只有在超声波电动机制造完成后，利用等效电路原理测量后得到，而本文可以直接计算得到，提供了超声波电动机的可预测性，并能很有效地通过。为利用该软件对定子动力特性指标进行变模态阶次分析的仿真结果示例。

　　3行波超声波电动机的优化设计原则超声波电动机的设计涉及到众多参数的确定，各参数对超声波电动机的动力学指标或多或少地都有影响，我们在对超声波电动机进行设计和参数选定时本着如下的原则：超声波电动机性能预测及参数分析程序流程定子的动力特性指标的参数分析示例图有其它的一些附加条件，诸如最高转速、堵转力矩、对外负载变化的敏感程度（负载特性的软硬）等等，甚至还有对尺寸（外径、厚度）、重量等的限定，在某些特殊场合下如航空航天、精密仪表、微机电系统等，有时这些会变成必须严格遵守的限定条件。因此，在超声波电动机设计之初，应首先明确最为重点的设计要求。

　　本文认为，超声波电动机的空载转速和堵转力矩是两个重要的设计指标，根据超声波电动机负载特性曲线的特点，确定了此两指标后，超声波电动机的负载特性就大致确定了。另外一个设计指标是定子的直径。定子直径与空载转速和堵转力矩都有一定的关系，确定了空载转速和堵转力矩后，定子的直径也就大体有了一个范围。

　　为了产品设计的标准化，一般要预先选定一个比较规整的值。

　　确定与设计指标密切相关的设计参数与空载转速直接相关的参数主要有超声波电动机的工作模态（波数、频率）、振幅、定子的直径、齿高等，而与堵转力矩密切相关的是摩擦材料、摩擦系数和预压力。

　　超声波电动机的设计要求一般是其额定输出功率，即在一定的转速下输出一定的扭矩。除此之外，往往还超声波电动机的总体优化目标当然是在满足设计要求的前提下达到最高的效率。但更应注意的是要明确各功能模块的局部优化目标，并尽量考虑到各模块之间的相互影响。在超声波电动机的整体数学模型还不完善的情况下，这显得尤其重要。

　　初步选定参数范围，进行变参数分析，分析确定优化参数，并依据仿真模型进行性能预测。

　　调整参数，得到最优解。

　　根据超声波电动机动力系统的模块划分，为使超声波电动机获得良好的动力特性，主要是对其定子谐振模块和摩擦驱动模块进行优化设计，即对定子和摩擦界面进行设计。

　　超声波电动机的定子的主要作用是在压电陶瓷诱发应变的激励下产生谐振，从而有效地将电能转换成机械能，并以振动能的形式保存。因而定子优化设计的关键就是在满足设计要求的前提下，在参数可供选择的范围内如何保证机电耦合能量最大程度的转换，为此应当从定子的模态、材质、尺寸大小以及压电陶瓷等几个方面进行了考虑。摩擦界面的设计主要包含两个方面，一是摩擦材料的选择，二是摩擦层的尺寸和预压力的选定。

　　本文将定子振动的阻尼损耗、机电耦合系数和和振速（隐含着振幅和预压力）作为评价指标，三者结合起来作为定子优化设计的目标；而将摩擦界面的功率损耗作为摩擦界面优化设计的目标。主要是为了在满足使用要求的情况下获得较好的效率和摩擦驱动性能。

　　4行波超声波电动机的设计实例及性能分析所示是南航超声波电动机研究中心利用本软件系统开发的一种应用于气阀的超声波电动机的定子及其工作模态，其各项参数如下表所示。

　　545型气阀超声波电动机定子的结构及工作模态545型气阀超声波电动机定子的结构参数表外径工作模态内径工作频率定子基底厚定子材质钢齿高压电陶瓷压电陶瓷厚该电机在不同预压力下的空载转速和堵转力矩变化趋势预测结果如所示，为超声波电动机摩擦界面在不同预压力下的输出功率、滑动损失功率、摩擦界面效率的变化曲线。由本设计程序得到的优化设计细节分析的图表很多，限于篇幅，在此不一一列举，详见文在对超声波电动机进行参数的调整设计时分析发现，选择B7振型比较恰当。该工作振型的频率为36.幅（在不加预压力时）为2Lm，机电耦合系数以及各评价指标都比较高。通过对其输出特性的分析，发现预压力可选择为100N，此时堵转力矩为0. 16Nm，空载转速为140r/min，对应的间距D比零稍小，能保证定转子的良好接触而又不造成较大的摩擦损失，工作点可选择在负载扭矩0.1Nm、转速90r/min，此时摩擦界面的传递效率可545型气阀超声波电动机的空载转速和堵转力矩随预压力的变化情况超声波电动机摩擦界面在不同预压力下的输出特性5结论编制了超声波电动机性能仿真分析软件，可以预测出处于设计阶段的超声波电动机的输出特性。

　　定义了超声波电动机的动力特性描述指标，并对之做了变参数仿真分析，可计算出各指标随参数变化的趋势和灵敏度。

　　提出了超声波电动机优化设计的几点理论性原则，依据动力特性仿真分析结果，给出了定子动力特性和摩擦界面传输特性优化设计的基本方法，对设计参数的优选提出了建设性的意见。

　　超声波电动机动力仿真研究对优化设计起到了很好的指导作用，据此开发的超声波电动机性能仿真分析软件在旋转行波性超声波电动机的研制开发中发挥了辅助分析、设计作用，其效果十分显著。