超聲波電機定、轉子在高過載沖擊環境下的強度計算

徐雪榮 吳國東 田 秀 付紅偉 任 武

?

超聲波電機定、轉子在高過載沖擊環境下的強度計算

徐雪榮1，2吳國東1田 秀2付紅偉2任 武2

（1. 中北大學機電工程學院，太原 030051； 2. 北京航天控制儀器研究所，北京 100039）

針對制導炮彈的高過載應用環境，設計了抗高過載超聲波電機，研究了超聲波電機結構對瞬時超大過載的耐受情況。仿真分析了電機的定、轉子在強沖擊載荷下的應力和應變分布規律；對結構強度加強后的轉子、對施加波形彈簧和吸振墊圈的定子進行了仿真，對比分析了緩沖減振措施的效果。對超聲波電機的耐過載特性進行了軸向沖擊實驗。綜合仿真計算結果和實驗結果分析了超聲波電機緩沖減振措施的耐過載能力。

超聲波電機；高過載；沖擊；緩沖

1 引言

超聲波電機是一種新興的精密驅動裝置[1]，其相對傳統執行機構優勢明顯，具有響應快、結構緊湊且簡單的特點[2～4]，同時也豐富了智能彈藥及小型化導彈執行機構的選擇[5]。近年來，已有學者致力于超聲波舵機的應用研究。陳超等試驗研究了8000個重力加速度沖擊下的超聲波電機特性，結果表明，電機的破壞主要發生在定子與底座螺釘松動、定子薄梁斷裂、壓電陶瓷斷裂或脫落、轉子腹板變形或斷裂。然而，目前在超高過載環境下（1.5萬個重力加速度），超聲波電機的性能及抗高過載特性的研究鮮有報道。因此，有必要研究該環境下的超聲波電機的受力特點及提高其高過載耐受能力，對拓展新的應用領域具有重要意義[6]。

針對具有高過載環境的應用背景，在高過載環境下，仿真計算了超聲舵機定、轉子的剛強度，分析了其定、轉子的結構薄弱環節，提出了定、轉子的抗高過載改進措施。對定子采用添加緩沖波簧、減振墊圈的解決方案；改進了轉子的結構并校核。該研究具有較強的工程實際意義，為超聲波舵機用于高過載環境提供了理論指導。

2 沖擊條件下仿真計算定、轉子的剛強度變化情況

2.1 定、轉子結構參數

定子：采用錫磷青銅QSn6.5-0.1，是銅-錫-磷三元系合金。合金具有高的強度、彈性、耐磨性和抗磁性，主要用作彈性元件和高強度的耐磨零件；轉子：采用2A12硬鋁合金，是可熱處理強化鋁合金，具有良好的塑形成形能力和機械加工性能。定、轉子的結構參數見表1。

表1 超聲電機所用材料參數

本文研究的高過載超聲波電機是基于普通80型超聲舵機的，結構示意圖見圖1。

圖1 普通80超聲波電機結構剖面圖

2.2 定子的剛強度變化情況

表2 超聲波電機定子高過載沖擊條件

a 變形云圖

b 應力云圖

圖2 定子在沖擊作用下的應力變形云圖

定子受到連續高過載沖擊的作用，仿真計算定子的應力變形情況如表2所示。固定定子下端與底座連接表面，計算出定子所受的應力變形云圖，如圖2所示。定子的最大應力出現在定子內圈螺紋孔處，最大值為961.43MPa；定子的最大變形為0.47889mm，如圖3所示。

a 等效應力圖

b向變形圖

圖3 定子在沖擊作用下的應力變形曲線圖

可見，在沖擊條件下，定子的最大應力超過961.43MPa，大于銅材料的345MPa屈服強度，超過了銅材料的屈服極限。定子的最大應力出現在定子懸臂梁處（見圖4），所以需要對定子的懸臂梁處進行抗高過載保護。

圖4 定子剖面圖

定子懸臂梁較薄，厚度僅有0.7mm，用于隔離超聲波電機定子的固有振型與固定安裝結構。在加強結構強度的同時必然會影響其振型，從而影響其運行時的轉矩、速度等[7]。

定子的抗高過載方法，有兩種緩沖減振措施，一是在定子與底座連接處加減振墊圈；二是在定子、壓電陶瓷下端加緩沖波簧。

改進措施：在定子、壓電陶瓷下端加緩沖波簧（如圖5所示）。改進后的定子受到連續高過載沖擊（見表2）的作用，仿真計算定子的應力變形情況如圖6所示。固定底座下表面，計算出定子所受的應力變形。定子的最大應力出現在定子內圈螺紋孔處，最大值274.52MPa；定子的最大變形為0.124mm，如圖7、圖8所示。

圖5 定子、緩沖波簧裝配體

圖6 定子的應力變形情況

圖7 定子在沖擊作用下的變形圖

圖8 定子在沖擊作用下的應力圖

可見，在沖擊條件下，定子的最大應力出現在定子薄梁位置，為274.52MPa，小于銅合金材料的最小屈服強度345MPa。所以對定子的懸臂梁處進行的抗高過載保護措施效果有效。

2.3 轉子的剛強度變化情況

轉子受到連續高過載沖擊的作用，仿真計算轉子的應力變形情況。固定轉子下端與軸承連接表面，計算出定子所受的應力變形云圖，如9所示。可見轉子的最大應力出現在轉子圓盤腹板處，最大值為297.65MPa；定子的最大變形為0.56811mm（如圖10所示）。可見，在沖擊條件下，轉子的最大應力297.65MPa，大于鋁合金材料的最小屈服強度265MPa。所以需要考慮對轉子圓盤腹板處進行抗高過載保護。

a 變形云圖

b 應力云圖

圖9 轉子在沖擊作用下的應力變形云圖

a 等效應力圖

b向變形圖

圖10 轉子在沖擊作用下的應力變形曲線圖

改進措施：加強轉子圓盤腹板結構強度。改進后的轉子受到連續高過載沖擊的作用，仿真計算轉子的應力變形情況。固定轉子下端與軸承連接表面，計算出定子所受的應力變形云圖，如圖11所示。可見轉子的最大應力出現在轉子圓盤腹板處，最大值為166.81MPa；定子的最大變形為0.32234mm，如圖12所示。可見，在沖擊條件下，轉子的最大應力166.81MPa，小于鋁合金材料的最小屈服強度265MPa。所以轉子圓盤腹板處的抗高過載保護措施有效。

a 變形云圖

b 應力云圖

圖11 轉子在沖擊作用下的應力變形云圖

a 等效應力圖

b向變形圖

圖12 轉子在沖擊作用下的應力變形曲線圖

3 超聲波電機的高沖擊過載實驗及分析

利用氣動水平沖擊響應譜試驗機，從實驗角度評估了沖擊高過載對超聲波電機輸出特性的影響。仿真分析結果和實驗結果都表明，在沖擊量級為15kg的條件下，超聲波電機的定子變形非常微小，其最大變形量小于0.4mm。而定子的壓電陶瓷易碎，在沖擊加速度為15kg時，陶瓷出現明顯脫落，對轉子的驅動產生嚴重影響，從而嚴重影響電機的輸出性能[8]。而抗高過載超聲波電機在實驗后并未出現顯著變形或裂紋，輸出特性表現良好，如圖13所示。轉子機構無明顯外形變化。

a 無緩沖的定子外觀圖

b 有緩沖的定子外觀圖

圖13 高過載沖擊后定子外觀圖

4 結束語

針對1.5萬個重力加速度的高過載環境，仿真分析了旋轉行波超聲波電機定、轉子的剛強度，并提出了定、轉子的抗高過載解決方案，對其可能強度失效的部位，進行了有針對性的抗過載保護。仿真和實驗結果都表明，該型超聲波電機在沒有緩沖設計的情況下不能承受1.5萬個重力加速度的高過載沖擊，外形變化大且電機輸出特性較差。而經過緩沖設計的電機則無明顯變形且輸出性能良好。為保證超聲波電機在實際應用中性能穩定，需研究航彈在飛行過程中的溫度高、濕度大對電機輸出性能影響的問題[9]，在一些傳統電磁電機難以應用的領域發揮作用[10]。

1 趙淳生. 超聲電機技術與應用[M]. 北京：科學出版社，2007

2 陳超，任金華，石朋友，等. 旋轉行波超聲波電機的沖擊動力學模擬及實驗[J]. 振動、測試與診斷，2014，34(11)：9～14

3 陳超，趙淳生. 旋轉行波超聲波電機定子的子結構模型研究[J]. 振動過程，2005(2)：238～242

4 朱平安，張曉龍. 無人機載制導炸彈的發展綜述[J]. 四川兵工學報，2015(3)：5～8

5 汪建峰，張杰，張毅. 高過載條件下彈丸材料所受應力的數值仿真[J]. 兵器材料科學與工程，2009，32(1)：31～33

6 沈大偉，邊玉亮，范錦彪. 基于彈載測試儀的高速旋轉彈丸膛內轉速測試[J]. 探測與控制學報，2016，38(3)：94～97

7 李曉牛，周盛強，姚志遠，等. 超聲波電機在磁懸浮飛輪鎖緊裝置中的應用[J]. 振動、測試與診斷，2013，33(4)：555～559

8 姚志遠，吳辛，趙淳生. 行波超聲電機定、轉子接觸狀態實驗分析[J]. 振動、測試與診斷，2009，29(4)：388～391

9 蘆丹，金家楣，趙淳生. 超聲電機濕熱環境試驗研究[J]. 振動、測試與診斷，2011，33(6)：1006～1008

10 蔣春榮，張津楊，董曉霄，等. 中空環形超聲波電機試驗研究與改進設計[J]. 電機與控制應用，2016，43(7)：40～44

Calculation of Strength of Stator and Rotor for Ultrasonic Motor in High Impact Environment

Xu Xuerong1，2Wu Guodong1Tian Xiu2Fu Hongwei2Ren Wu2

(1. School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051； 2. Beijing Institute of Aerospace Control Devices, Beijing 100039)

In order to solve the problem of guided projectile in strong shock environment, the anti-high-overloaded ultrasonic motor is designed and analyzed. This paper studies the tolerance of ultrasonic motor structure to transient high overload. The stress and strain distribution of the stator and rotor in strong shock environment are simulated and analyzed. The strength of the rotor is strengthened, and the stator with the wave spring and the vibration absorbing washer is simulated. The effect of buffer damping measures is compared and analyzed. The ultrasonic impact test of the ultrasonic motor is carried out. The overload resistance of the ultrasonic motor is analyzed on the basis of the results of the simulation and the experimental results.

ultrasonic motor；high overload；shock；buffer

國家重大科學儀器設備開發專項資金資助（2013YQ470765）。

徐雪榮（1991），碩士，機電工程專業；研究方向：沖擊動力學及仿真研究。

2017-09-04