行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)及有限元分析*

蘇國(guó)兵, 韓建超, 齊鑫哲, 蔡 毅

(1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100039;2. 北華航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,河北 廊坊 065000)

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)及有限元分析*

蘇國(guó)兵1,2, 韓建超1, 齊鑫哲1, 蔡 毅2

(1. 中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100039;2. 北華航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,河北 廊坊 065000)

研究了行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸動(dòng)力傳遞機(jī)理，完成了超聲電機(jī)關(guān)鍵部件定子、錐柔性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，建立了考慮定轉(zhuǎn)子徑向滑移的三維接觸模型以及有限元模型，分析了超聲電機(jī)定子表面質(zhì)點(diǎn)幅頻特性、諧振速度以及徑向位移量與齒高之間的關(guān)系。通過(guò)比較錐柔性、柔性轉(zhuǎn)子與定子接觸面質(zhì)點(diǎn)徑向相對(duì)位移，闡釋了錐柔性轉(zhuǎn)子通過(guò)自身彈性變形能更好地貼合在定子齒表面，減少定轉(zhuǎn)子間相對(duì)滑移量并能提高超聲電機(jī)的輸出效率。最后通過(guò)合成一個(gè)行波周期內(nèi)定子表面質(zhì)點(diǎn)的位移軌跡，驗(yàn)證了定子驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式為橢圓運(yùn)動(dòng)。仿真結(jié)果對(duì)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

超聲電機(jī)；定轉(zhuǎn)子；徑向滑移；有限元

0 引 言

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)是一種新型微特電機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低速大轉(zhuǎn)矩、響應(yīng)速度快、不受電磁場(chǎng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，目前在工業(yè)控制、醫(yī)療器械、計(jì)算機(jī)、智能機(jī)器人和航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)使定子表面質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生高頻微幅(微米級(jí))振動(dòng)，再通過(guò)定轉(zhuǎn)子間的摩擦作用，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子定向轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。超聲電機(jī)工作時(shí)存在兩個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程: (1)通過(guò)壓電陶瓷的逆壓變效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為定子的振動(dòng)機(jī)械能；(2)通過(guò)摩擦作用將定子的微幅振動(dòng)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的定向轉(zhuǎn)動(dòng)。這兩個(gè)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程均存在能量損耗，特別是第2個(gè)過(guò)程[1-2]。定轉(zhuǎn)子摩擦接觸傳遞力矩的特點(diǎn)決定了電機(jī)輸出效率不高、能量損失嚴(yán)重等缺點(diǎn)，特別是定轉(zhuǎn)子接觸面間的徑向滑動(dòng)造成很大的能量損耗，故分析定轉(zhuǎn)子的接觸機(jī)理，研究接觸面的質(zhì)點(diǎn)位移軌跡，對(duì)超聲電機(jī)性能的提高具有實(shí)際意義。

1 機(jī)理研究

行波旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)主要由壓電陶瓷片、定子、轉(zhuǎn)子、摩擦襯墊、底座、殼體和軸系組成；運(yùn)行機(jī)理為在壓電陶瓷片上施加兩相相位差為90°的同頻等幅交變電壓，通過(guò)壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)在定子中激發(fā)出兩相幅值相等、在時(shí)間和空間相位差為90°的駐波，兩相駐波疊加形成定子體中沿一定方向傳播的行波，定子行波表面質(zhì)點(diǎn)的切向速度使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與行波的傳動(dòng)方向相反[3]。超聲電機(jī)采用摩擦界面完成振動(dòng)能到機(jī)械能的傳遞過(guò)程，摩擦界面的利用使得超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，具有斷電自鎖能力，可把摩擦材料層簡(jiǎn)化為分布式線(xiàn)彈簧，如圖1所示。

圖1 超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子接觸理論模型

定子表面的行波方程可寫(xiě)為

(1)

定子表面質(zhì)點(diǎn)的切向速度為

(2)

式中:fn——工作模態(tài)的固有頻率，fn=ωn/2π；

dc——定子表面到定子彎曲中性層的距離。

假設(shè)超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子間接觸區(qū)域的形狀、相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況以及相互作用力不隨時(shí)間變化，設(shè)t=0，則定轉(zhuǎn)子接觸面的輪廓方程為

(3)

此刻，定子表面各質(zhì)點(diǎn)的切向瞬時(shí)速度為

(4)

定子振動(dòng)時(shí)表面質(zhì)點(diǎn)空間運(yùn)動(dòng)，位移及速度在柱坐標(biāo)系3個(gè)方向上均有分量，如果把沿軸向和周向的位移分量合成，可形成質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡。橢圓運(yùn)動(dòng)是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的有效運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)定子從微幅振動(dòng)到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力傳遞。同時(shí)定子質(zhì)點(diǎn)徑向位移分量同樣不可忽略，徑向位移分量造成定轉(zhuǎn)子之間相對(duì)滑移。實(shí)踐證明，徑向滑移能量損耗大，若能減少這種滑移，超聲電機(jī)性能會(huì)有較大改善[4]。

2 定轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

2. 1 定子設(shè)計(jì)

(1) 內(nèi)外直徑。行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定子外徑尺寸的確定要綜合考慮極限轉(zhuǎn)速、輸出扭矩以及輸出功率之間的關(guān)系。超聲電機(jī)定子外徑的平方與極限轉(zhuǎn)速成反比，與輸出扭矩和輸出功率成正比。定子的內(nèi)徑尺寸要適中；如果定子的內(nèi)徑過(guò)小，會(huì)使更多的能量傳遞到定子的內(nèi)支撐板上消耗；若內(nèi)徑過(guò)大，定子基體環(huán)比較窄，壓電陶瓷環(huán)的寬度就比較小，超聲電機(jī)的輸出功率就較小，同時(shí)定子的固定也會(huì)較困難[5]。

(2) 基體厚度。定子基體厚度直接影響定子模態(tài)頻率和振動(dòng)幅值的大小?；w的厚度越大，定子的剛度增加，相同階次的模態(tài)頻率增高，工作頻率也越高，但在相同的激勵(lì)條件下振幅會(huì)變小，基體不宜過(guò)厚。

(3) 定子齒。行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定子齒數(shù)和齒寬相互關(guān)聯(lián)，齒數(shù)又取決于定子工作模態(tài)節(jié)徑數(shù)，一般定子齒數(shù)是定子工作模態(tài)節(jié)徑數(shù)的倍數(shù)。在一定范圍內(nèi)增高定子齒可放大定子表面質(zhì)點(diǎn)的軸向振幅，從而提高轉(zhuǎn)速。但齒太高，定轉(zhuǎn)子接觸區(qū)域內(nèi)定子表面質(zhì)點(diǎn)沿周向速度變化更大，會(huì)降低超聲電機(jī)的輸出效率，并且定子齒太高，定子振動(dòng)的非線(xiàn)性特性會(huì)增強(qiáng)，超聲電機(jī)容易出現(xiàn)堵死現(xiàn)象[6-7]。根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，定子彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

表1 定子彈性體結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 壓電陶瓷片結(jié)構(gòu)參數(shù)

2. 2 錐柔性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)時(shí)，阻尼作用使得轉(zhuǎn)子的響應(yīng)滯后，從而定轉(zhuǎn)子間行波在空間上存在一定的相位差。若能合理設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子，使得轉(zhuǎn)子和定子振型相似，模態(tài)頻率相近，從而使定轉(zhuǎn)子的波形反相，可減少定轉(zhuǎn)子間的徑向滑移量，提高超聲電機(jī)的輸出扭矩和效率[8]。為使超聲電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的彈性變形，以增大定轉(zhuǎn)子間的接觸面積，減小定轉(zhuǎn)子間徑向應(yīng)力，同時(shí)減少定轉(zhuǎn)子間的徑向滑移，轉(zhuǎn)子的腹板一般設(shè)計(jì)得很薄。轉(zhuǎn)子邊緣因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)與力學(xué)要求，往往比轉(zhuǎn)子腹板厚很多，造成轉(zhuǎn)子腹板和轉(zhuǎn)子邊緣的結(jié)構(gòu)剛度差較大，定轉(zhuǎn)子的工作頻率雖進(jìn)行了很好的匹配，定轉(zhuǎn)子間共振時(shí)并不能形成很好的接觸，徑向滑移量仍很大。綜合以上因素，設(shè)計(jì)了一種錐柔性轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2所示，結(jié)構(gòu)參數(shù)如表3所示。

圖2 錐柔性轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸/mm結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸/mmD18d20．5D222d34．6D353d44．1D458h11．4d111．2h20．5

3 有限元分析

3. 1 有限元模型

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前還不能建立單純的數(shù)學(xué)解析模型。有限元法能求解有復(fù)雜形狀和各種邊界條件的問(wèn)題，且有較高的求解精度[9]。定子由彈性體和壓電陶瓷片粘結(jié)而成，彈性體采用錫青銅材料(該材料耐磨、導(dǎo)熱性好、熱膨脹系數(shù)小、質(zhì)量輕并且具有較好的工藝性)；壓電陶瓷片采用PZT-4，PZT基壓電陶瓷壓電性能好、使用溫度范圍寬、抗疲勞強(qiáng)度高并且鐵電性?xún)?yōu)良，定轉(zhuǎn)子材料參數(shù)如表4所示。

表4 定轉(zhuǎn)子材料參數(shù)

對(duì)超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子建立有限元接觸模型，壓電陶瓷片、定子彈性體以及錐柔性轉(zhuǎn)子均采用三角形和四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，控制單元?jiǎng)澐值拇笮?，使單元在定子齒處劃分更為細(xì)膩，如圖3所示，共97 211個(gè)節(jié)點(diǎn)、47 741個(gè)單元。

圖3 定轉(zhuǎn)子有限元接觸模型

3. 2 邊界條件

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)利用接觸摩擦界面將定子的振動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，定轉(zhuǎn)子間接觸面的動(dòng)力傳遞模型決定超聲電機(jī)最后的輸出特性。對(duì)定轉(zhuǎn)子接觸模型施加邊界約束應(yīng)盡量反映超聲電機(jī)實(shí)際工作情況[10]。邊界約束條件如下：采用面面接觸單元分析定轉(zhuǎn)子接觸模型，壓電陶瓷片與定子彈性體采用綁定處理，定轉(zhuǎn)子接觸面定義為摩擦面，摩擦因數(shù)取0.15，并消除初始滲透。對(duì)定子3個(gè)螺紋孔采用全方位約束，防止定子作平移運(yùn)動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)轉(zhuǎn)子腹板施加徑向位移約束，軸向保持自由，使轉(zhuǎn)子不作平面運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子基體施加200 N軸向均布預(yù)壓力。

3. 3 結(jié)果與分析

3. 3. 1 定子齒分析

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定子齒對(duì)壓電陶瓷的逆壓電激勵(lì)效應(yīng)有放大效果。對(duì)定子有限元模型進(jìn)行振動(dòng)學(xué)分析，得到定子齒表面質(zhì)點(diǎn)諧振頻率、諧振振幅、諧振速度以及徑向偏移量與齒高的關(guān)系，如圖4～圖7所示。

圖4 諧振頻率與齒高關(guān)系

圖5 諧振振幅與齒高關(guān)系

圖6 諧振速度與齒高關(guān)系

圖7 徑向偏移量與齒高關(guān)系

由圖4～圖7可得定子質(zhì)點(diǎn)的諧振頻率、諧振幅值、諧振速度以及徑向偏移量與齒高的關(guān)系。定子諧振頻率隨開(kāi)齒深度的增加逐漸降低。定子開(kāi)齒深度為2～2.5 mm時(shí)，定子表面質(zhì)點(diǎn)振幅值為0.16～0.75 mm；開(kāi)齒深度為2.6～3.0 mm時(shí)，定子表面質(zhì)點(diǎn)諧振幅值為2.7～5.2 mm，增高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。定子表面質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度在0.02～0.9 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)，開(kāi)齒深度為2.6時(shí)諧振速度最高，為0.872 m/s。定子開(kāi)齒深度為2～2.6 mm時(shí)，定子表面質(zhì)點(diǎn)徑向偏移量為0.2～1.6 mm，開(kāi)齒深度為2.7～3 mm時(shí)，定子表面質(zhì)點(diǎn)徑向位移量為10～16 mm，增高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

3. 3. 2 徑向滑移分析

傳統(tǒng)行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)工作時(shí)，定子與轉(zhuǎn)子的接觸面并不是平面，定子振動(dòng)時(shí)，定轉(zhuǎn)子接觸面徑向滑動(dòng)量很大。研究表明：定轉(zhuǎn)子接觸界面的徑向滑動(dòng)造成純粹的能量損失，可占整個(gè)界面總損耗的60%。因此，減少定轉(zhuǎn)子的徑向滑動(dòng)以改善電機(jī)的效率，對(duì)于依靠摩擦傳動(dòng)而效率本身不高的超聲電機(jī)具有重要意義[11-13]。為了驗(yàn)證錐柔性轉(zhuǎn)子較柔性轉(zhuǎn)子對(duì)提高超聲電機(jī)效率的優(yōu)勢(shì)，分別對(duì)錐柔性轉(zhuǎn)子和柔性轉(zhuǎn)子進(jìn)行瞬態(tài)分析，柔性轉(zhuǎn)子與錐柔性轉(zhuǎn)子具有相同的厚度以及接觸半徑，求解時(shí)間為30 ms，60個(gè)子步，使每個(gè)子步定轉(zhuǎn)子變化量盡量小，并記錄每個(gè)子步結(jié)果。結(jié)果如圖8～圖13所示。

圖8 柔性轉(zhuǎn)子與定子接觸模型激振圖

圖9 錐柔性轉(zhuǎn)子與定子接觸模型激振圖

圖10 柔性轉(zhuǎn)子與定子質(zhì)點(diǎn)徑向位移

圖11 錐柔性轉(zhuǎn)子與定子質(zhì)點(diǎn)徑向位移

圖12 柔性、錐柔性轉(zhuǎn)子徑向滑移量對(duì)比

圖13 定子表面質(zhì)點(diǎn)周期運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖8～圖9可得，行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)采用兩種轉(zhuǎn)子時(shí)，定轉(zhuǎn)子均被激發(fā)出相似的振型，但錐柔性轉(zhuǎn)子能更好地貼合在定子齒表面，增大了定轉(zhuǎn)子的接觸面積，有利于減少定轉(zhuǎn)子相對(duì)質(zhì)點(diǎn)沿徑向的位移差量，可減少接觸界面上的徑向滑動(dòng)，對(duì)改善界面接觸特性以及提高超聲電機(jī)的輸出性能具有重要意義。由圖10～圖12可得，定子在壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)激勵(lì)下存在伸縮和彎曲變形，定子質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)行波周期內(nèi)徑向位移量逐漸變化，雖然柔性轉(zhuǎn)子也能被激發(fā)出與定子相似振型，但由于柔性轉(zhuǎn)子邊緣很厚，與腹板的剛度差較大，邊緣變形不明顯，與定子質(zhì)點(diǎn)b相接觸的轉(zhuǎn)子質(zhì)點(diǎn)a徑向位移量不明顯，而錐柔性轉(zhuǎn)子腹板為錐形結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無(wú)突變，錐柔性轉(zhuǎn)子同樣被激發(fā)出與定子相似振型，轉(zhuǎn)子質(zhì)點(diǎn)a與定子質(zhì)點(diǎn)b的運(yùn)動(dòng)方向一致，能有效地減小定轉(zhuǎn)子接觸面的徑向滑移。一個(gè)行波周期內(nèi)錐柔性轉(zhuǎn)子與定子相對(duì)質(zhì)點(diǎn)的徑向位移較柔性轉(zhuǎn)子更小，定轉(zhuǎn)子接觸面質(zhì)點(diǎn)位移方向一致，相對(duì)徑向滑移量也就更小，超聲電機(jī)啟停時(shí)兩種轉(zhuǎn)子徑向滑移量均較大。圖13是經(jīng)仿真得到的定子表面質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)X向和Z向位移的合成圖，由該軌跡圖可見(jiàn)一個(gè)周期內(nèi)定子表面質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的變化過(guò)程，軌跡合成后為橢圓，驗(yàn)證了定子表面質(zhì)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的有效運(yùn)動(dòng)是橢圓運(yùn)動(dòng)。

3. 4 小結(jié)

行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)定子齒的高度會(huì)影響定子表面質(zhì)點(diǎn)的幅頻特性，對(duì)質(zhì)點(diǎn)諧振速度的影響較小，定子表面質(zhì)點(diǎn)確實(shí)存在徑向位移，且定子齒的高度對(duì)質(zhì)點(diǎn)徑向位移有一定的影響。超聲電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子也被激發(fā)出與定子相似的振型，采用錐柔性轉(zhuǎn)子的超聲電機(jī)定轉(zhuǎn)子相對(duì)質(zhì)點(diǎn)的徑向滑移量更小。超聲電機(jī)起停時(shí)定轉(zhuǎn)子間徑向滑移量較其他時(shí)刻較大。仿真結(jié)果為行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、制造提供理論依據(jù)，對(duì)提高超聲電機(jī)的輸出性能具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

以行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)為研究對(duì)象，針對(duì)定轉(zhuǎn)子接觸面間徑向滑移量大的問(wèn)題，提出了改進(jìn)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的方案，完成了關(guān)鍵部件定子、錐柔性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，分析了定子齒高對(duì)表面質(zhì)點(diǎn)幅頻特性、諧振速度以及徑向位移量的影響，定子齒高為2.6 mm時(shí)，定子齒對(duì)壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)的放大效果更好，超聲電機(jī)的輸出性能更高。

建立了定轉(zhuǎn)子有限元接觸模型，通過(guò)有限元求解比較錐柔性、柔性轉(zhuǎn)子質(zhì)點(diǎn)相對(duì)定子的徑向位移量。仿真結(jié)果表明定轉(zhuǎn)子接觸面間確實(shí)存在徑向滑移，徑向滑移是造成超聲電機(jī)效率不高的重要因素之一。錐柔性轉(zhuǎn)子具有更好的接觸范圍，接觸面積更大，且質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向與定子質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方向始終一致，能有效減少定轉(zhuǎn)子接觸面間徑向滑移量，提高超聲電機(jī)輸出功率與效率。

完成了一個(gè)行波周期內(nèi)定子質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡仿真，橢圓運(yùn)動(dòng)能有效的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子定向轉(zhuǎn)動(dòng)。仿真結(jié)果為行波型旋轉(zhuǎn)超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析提供了理論依據(jù)。

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[9] 紀(jì)躍波,王濤.雙定子單轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)型行波超聲電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī),2015,43(6): 33-36.

[10] 劉嬋娟,紀(jì)躍波.壓電陶瓷對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)定子特性的影響[J].機(jī)械工程學(xué)學(xué)報(bào),2010,46(4): 203-207.

[11] 蘆小龍,趙淳生.超聲電機(jī)定子熱機(jī)電耦合特性[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2011,24(5): 522-528.

[12] 陳超,曾勁松,朱華,等.微型行波超聲電機(jī)定子的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)機(jī)械工程,2009,20(5): 568-572.

[13] 周盛強(qiáng),趙淳生.超聲電機(jī)定子振動(dòng)分析的模態(tài)選擇[J].光學(xué)精密工程,2009,17(12): 3009-3015.

TravelingWaveRotaryUltrasonicMotorRotor-StatorDesignandFiniteElementAnalysis*

SUGuobing1,2,HANJianchao1,QIXinzhe1,CAIYi2

(1. Chinese Academy of Space Technology, Beijing 100039, China;2. Mechanical Engineering Department, North China Institute of Aerospace Engineering,Langfang 065000, China)

Dynamic transfer mechanism of the traveling wave rotary ultrasonic motor rotor-stator’s contact surface was studied and the key parts stator and cone flexible rotor of ultrasonic motor were designed. Three-dimensional contact model and finite element model considering the radial sliding between the rotor and the stator were established. The relation between stator surface particle that amplitude frequency characteristics, resonance speed, radial displacement of ultrasonic motor and tooth height were analyzed. Mass point radial relative displacement of contact surface between the cone flexible rotor, flexible rotor and the stator were contrasted. The cone flexible rotor was better placed on the surface of the stator tooth through its elastic deformation was interpreted. The cone flexible rotor reduces radial slip between the stator and the output efficiency of ultrasonic motor was improved. The displacement trajectory of the stator surface was synthesized in a row wave cycle. The method of the stator mass point elliptical motion drives the rotor rotation was verified. The simulation results were great significantly to the design of rotary ultrasonic motor.

ultrasonicmotor;rotor-stator;radialslip;thefiniteelement

河北省研究生創(chuàng)新資助項(xiàng)目(CXZZSS20171771)

蘇國(guó)兵(1989—)，男，碩士，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)理論。

TM 302

A

1673-6540(2017)12- 0100- 06

2017 -06 -01

[讀者群]

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