旋轉型超聲電機壓電振子的研究

王笑竹，張 健

旋轉型超聲電機壓電振子的研究

王笑竹，張 健

（營口理工學院，遼寧營口 115014）

運用ANSYS軟件對圓盤形壓電振子進行模態分析，分析了圓環凸齒高、附加齒高對彎曲模態的影響。結果表明，當凸齒高為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。根據模態分析結果試制了圓盤形振子，進行了實驗測試，實驗結果與模態分析結果大致相同。

模態分析 圓盤形 齒 實驗測試

0 引言

超聲電機是一種直接驅動器，如果設計合理，應用得當，超聲電機可和電磁電機取長補短，獲得更加廣泛而有效的應用。駐波型旋轉超聲電機作為行波超聲電機的必要補充，因其具有驅動和控制電路簡單, 輔助裝置較小等突出優點，近年來受到人們的普遍關注[1～2]。本文依據經典直線駐波超聲電機的驅動原理，提出一種多驅動齒的新型旋轉駐波超聲電機，該電機振子能在預先設計的面外彎曲模態下，實現驅動齒的最佳位置匹配。

1 旋轉型超聲電機的振子結構

旋轉型超聲電機的振子結構為環形結構，設計成每隔一定角度，環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中的位置，進而影響超聲電機的性能。為了修正振動模態，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，如圖1所示。圓盤形振子的結構參數見表1。

圖1 帶附加齒的圓盤形振子

表1　圓盤形振子的結構參數（單位：mm）

根據前期數值分析，對振子選擇6階彎曲模態進行研究，對模型施加約束并進行網格劃分，圓環振子在X、Y方向固定，Z方向自由，模態分析結果如圖2所示。現在需要調整外徑內徑尺寸，找出圓環形振子在6階彎曲模態情況下兩個頻率差為零的兩個模態

圖2 圓盤形振子6階彎曲模態圖

2 圓盤形振子直徑尺寸對彎曲模態的影響

依據前期研究對圓環形振子的研究大部分集中在振子厚度、圓盤內徑、外徑數等參數的研究。本文主要研究凸齒高、附加齒高對圓盤形振子彎曲模態的影響，分析模態一致性問題。

將圓盤形振子的內徑、外徑、基體的厚度、兩種齒寬固定，改變兩種齒的高度，在ANSYS中進行動態設計，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。此時齒的位置復合設計要求如圖4所示。在其余條件下，振子振幅及凸齒所在位置不符合設計要求。

圖4 帶附加齒振子有限元模態分析的相對振幅分布

3 圓盤形振子的實驗研究

根據模態分析的結果，按照結構參數制作了圓盤形振子的實物，如圖5所示。

圖5 實物照片

對旋轉型駐波超聲電機進行實驗測試，得到電機的工作頻率分別為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 結論

1）圓盤形振子的凸齒高、附加齒高對彎曲模態的頻率影響較大；

2）當凸齒高為2.1 mm、附加齒高為0.6 mm時，圓盤形振子的彎曲模態復合要求，振幅最大且齒的位置最好。

[1] 胡敏強, 金龍, 顧菊平. 超聲波電機原理與設計. 北京: 科學出版社, 2005.

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

[3] 上羽貞行, 富川義郎著. 楊志剛, 鄭學倫譯. 超聲波馬達理論與應用. 上海: 上海科學技術出版社, 1998.

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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

遼寧省自然科學基金指導計劃（20180550960）；遼寧省教育廳科學研究經費項目（L2019014）；遼寧省自然科學基金聯合基金計劃項目（2020-YKLH-28）；

王笑竹（1982-），女，碩士，副教授，研究方向：超聲電機與機械設計的研究。

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