行波旋轉(zhuǎn)型超聲波電動機定轉(zhuǎn)子接觸滑移分析

劉 炯，紀躍波

(集美大學，廈門 361021)

0 引 言

行波型超聲波電動機是利用壓電陶瓷的逆壓電效應，通過壓電陶瓷，使定子表面產(chǎn)生行波，進而使定子表面質(zhì)點形成橢圓的運動軌跡，在一定的預壓力作用下，質(zhì)點橢圓運動軌跡的切向摩擦力驅(qū)動轉(zhuǎn)子周向運動。相對于電磁電機，超聲波電動機具有轉(zhuǎn)矩質(zhì)量比大、低轉(zhuǎn)速、無電磁干擾等優(yōu)點，廣泛應用于醫(yī)療、航天、機器人等行業(yè)[1-3]。

由超聲波電動機的工作原理可知，定子振動時，接觸面質(zhì)點的運動軌跡是空間三維的，既有橫向位移也有縱向位移和徑向位移[4]。文獻[5]通過增大定子與摩擦層間的摩擦因子和增大摩擦材料的泊松比來減小超聲波電動機定轉(zhuǎn)子間的徑向滑移。文獻[6]指出，轉(zhuǎn)子中存在一定的阻尼有利于減少徑向相對滑動造成的動力損耗，提高超聲波電動機的輸出效率。超聲波電動機定轉(zhuǎn)子之間的徑向滑移造成的能量損耗是不可忽視的，研究超聲波電動機結構對滑移大小的影響，有利于提高超聲波電動機機械效率，減小工作時造成的能量損失[7]。以上文獻都是從超聲波電動機材料方向分析對接觸面徑向滑移的影響，本文分析超聲波電動機結構對定轉(zhuǎn)子接觸表面質(zhì)點間滑移距離的影響，選擇轉(zhuǎn)子腹板厚度d、定子腹板厚度k、柔性環(huán)節(jié)寬度a和柔性環(huán)節(jié)高度h四個為主要影響參數(shù)。在施加相同邊界條件下，分析定轉(zhuǎn)子結構參數(shù)變化對最大滑移距離的影響規(guī)律，減小定轉(zhuǎn)子接觸面的徑向滑移，優(yōu)化電機結構，提高電機輸出效率。

1 轉(zhuǎn)子三維建模

1.1 定轉(zhuǎn)子整體結構設計

行波型超聲波電動機主要由轉(zhuǎn)子、摩擦層、定子和壓電陶瓷組成，如圖1所示。通過ANSYS進行接觸仿真分析，根據(jù)定轉(zhuǎn)子接觸表面質(zhì)點最大滑移距離，分析轉(zhuǎn)子腹板厚度d、柔性部分高度h、柔性部分寬度a和定子腹板厚度k四個結構參數(shù)變化對定轉(zhuǎn)子接觸滑移的影響規(guī)律。在超聲波電動機結構設計時，為了使定子傳遞更多的能量給轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子外徑通常與定子外徑相近[8-9]，本文選取定子外徑60 mm、內(nèi)徑18 mm，轉(zhuǎn)子外徑59 mm、內(nèi)徑18 mm，摩擦片厚度0.5 mm，建立行波型超聲波電動機3D結構模型，如圖2所示。

(a) 定轉(zhuǎn)子剖視圖

(b) A局部放大圖

(c) B局部放大圖

圖2 定轉(zhuǎn)子3D結構模型

1.2 三維模型生成

應用有限元計算軟件ANSYS，建立超聲波電動機的接觸模型，如圖2所示，選擇三維20節(jié)點單元solid95對定轉(zhuǎn)子進行網(wǎng)格劃分。根據(jù)接觸面接觸對的設置方法，將定子表面設置為目標面，將摩擦層與定子接觸的下表面設置為接觸面，并設定接觸對的摩擦系數(shù)為μ=0.15。根據(jù)電機工作的實際狀況，對定子的螺釘孔進行全約束，對轉(zhuǎn)子施加徑向約束，使其不能發(fā)生平動，在轉(zhuǎn)子的上表面施加預壓力F=120 N，使定轉(zhuǎn)子充分接觸，以傳遞轉(zhuǎn)矩。由于定子上的壓電陶瓷在靜態(tài)時力的作用較小，因此，忽略考慮壓電陶瓷對接觸應力分布產(chǎn)生的影響。摩擦層厚度為0.5 mm，粘接在轉(zhuǎn)子表面。超聲波電動機構件的材料參數(shù)如表1所示。

表1 定轉(zhuǎn)子材料主要參數(shù)

2 分析與結果

各個部分參數(shù)選擇如表2所示，通過分析不同結構參數(shù)對滑移距離的影響規(guī)律，為超聲波電動機的優(yōu)化設計提供理論基礎。

表2 電機尺寸分析選擇表

2.1 轉(zhuǎn)子腹板厚度和柔性部分寬度的影響分析

取柔性部分寬度a和轉(zhuǎn)子腹板厚度d為變量，設定柔性部分高度h=2 mm，定子腹板厚度k=0.8 mm。接觸面最大滑移距離如表3所示。

表3 不同轉(zhuǎn)子腹板厚度和柔性部分寬度對應接觸最大滑移距離(單位：mm)

其對應的變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 不同轉(zhuǎn)子腹板厚度下柔性部分寬度與滑移距離關系圖

圖4 不同柔性部分寬度下轉(zhuǎn)子腹板厚度與滑移距離關系圖

由圖3可以得到，轉(zhuǎn)子腹板厚度d不變時，隨著柔性部分寬度a變大，滑移距離變小，且變化趨勢明顯；由圖4可以得到，隨著轉(zhuǎn)子腹板厚度d變大，滑移距離變化很小。由此可知，柔性環(huán)節(jié)寬度變化對滑移距離影響較大，轉(zhuǎn)子腹板厚度對滑移距離幾乎無影響。

進一步分析得到如圖5所示的在不同柔性部分寬度下接觸滑移距離的分布情況。由定子齒表面質(zhì)點振動軌跡可知，在接觸區(qū)域存在徑向滑移現(xiàn)象。由圖5可得，柔性部分寬度變大，接觸面積減小，使接觸面磨損加劇。

圖5 柔性部分寬度變化下的接觸滑移分布圖

2.2 轉(zhuǎn)子柔性部分寬度與高度的影響分析

取柔性部分寬度a和高度h為變量，設定轉(zhuǎn)子腹板厚度d=1 mm，定子腹板厚度k=0.8 mm。接觸最大滑移距離結果如表4所示。

表4 不同柔性部分寬度和高度對應接觸 最大滑移距離(單位：mm)

其對應的變化曲線如圖6和圖7所示。

圖6 不同柔性部分高度下柔性部分寬度與滑移距離關系圖

圖7 不同柔性部分寬度下柔性部分高度與滑移距離關系圖

由圖6可以得到，隨著柔性部分寬度a變大，接觸滑移距離變小；由圖7可以得到，隨著轉(zhuǎn)子柔性環(huán)節(jié)高度h變大，滑移距離變大。由此可知，柔性環(huán)節(jié)寬度變化對滑移距離影響較大，柔性部分高度變化對滑移距離影響較小。

進一步分析得到如圖8所示的在不同柔性部分寬度下接觸滑移距離的分布情況。由圖8可知，柔性部分高度的變化，對定子和轉(zhuǎn)子接觸面積影響較小。

圖8 柔性部分高度變化下的接觸滑移分布圖

2.3 定子腹板厚度與柔性環(huán)節(jié)寬度的影響分析

取柔性環(huán)節(jié)寬度a和定子腹板厚度k為變量，設定轉(zhuǎn)子腹板厚度d=1.0 mm，柔性環(huán)節(jié)高度h=2.0 mm。接觸面最大接觸應力結果如表5所示。

表5 不同定子腹板厚度和柔性環(huán)節(jié)寬度 對應接觸最大滑移距離(單位：mm)

其對應的變化曲線如圖9和圖10所示。

圖9 不同定子腹板厚度下柔性環(huán)節(jié)寬度與滑移距離關系圖

圖10 不同柔性環(huán)節(jié)寬度下定子腹板厚度與滑移距離關系圖

由圖9可得，定子腹板厚度不變時，柔性環(huán)節(jié)寬度變大，滑移距離變小；由圖10可得，柔性環(huán)節(jié)寬度不變時，定子腹板厚度變大，滑移距離變小，且當定子腹板厚度增大到一定時，滑移距離變化量逐漸減小。由此可知，定子腹板厚度變化對滑移距離影響較大。

進一步分析得到如圖11所示的在不同柔性部分寬度下接觸滑移距離的分布情況。由圖11可知，定子腹板厚度變大，接觸面積先減小后變大。

3 結 語

本文根據(jù)對超聲波電動機整體結構四個尺寸參數(shù)在相同邊界條件下對接觸滑移距離的仿真分析，可以得出：電機轉(zhuǎn)子腹板厚度d的變化對接觸面滑移距離幾乎無影響；柔性環(huán)節(jié)高度h對接觸滑移距離影響較小，柔性環(huán)節(jié)高度越大，滑移距離越大；柔性環(huán)節(jié)寬度對接觸面滑移距離影響較大，且柔性環(huán)節(jié)寬度越大，滑移距離越小；定子腹板厚度對接觸面滑移距離影響最大，定子腹板厚度越大，滑移距離越小。柔性部分寬度和定子腹板厚度對定子和轉(zhuǎn)子接觸面積影響較大。故在設計時結合超聲波電動機定轉(zhuǎn)子結構對接觸面滑移距離影響規(guī)律，合理選擇結構參數(shù)，提高超聲波電動機輸出效率。