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直线超声电机振动模态的有限元分析

发布于:2016-05-10 18:31
有限元分析

      传统的直线电磁电机在机床进给、机器人和汽车车窗的升降系统等应用中,存在气隙较大,传动刚度小,使用稀土永磁体成本较高,电机在停止状态时没有保持位置的功能,体积大,产生的磁场对周围环境有电磁干扰,且有电磁噪声等缺点。纵弯复合型直线超声电机反应快速灵敏、推力大、行程大、高效,能够避免上述传统直线电磁电机的缺点,但目前国内对该类电机研究甚少。在纵弯式驻波压电微电机等方面开展了研究,并成功研制了一台5mm的压电微电机。谭军安等利用波动方程推出了纵振动和弯振动的频率方程,从而研制出了夹心式纵弯复合振动模式的超声换能器。但由于这些电机的机理较复杂,研究的历史还很短,许多问题还有待进一步研究。
      本研究主要利用有限元分析方法对夹心式纵弯复合振动模式的超声电机定子进行仿真数值计算与参数分析,讨论和归纳了参数改变对电机定子谐振频率和振型的影响以及实现纵向、弯曲振动模态简并的一般规律,并通过样机实验模态分析,对有限元分析结果与实测结果进行了比较。
纵弯复合型直线超声电机基本结构示意图如图所示。该电机由定子和直线滑轨两部分组成,其关键部件定子(驱动振子)是采用螺栓紧固夹心结构的压电复合振子。纵振压电陶瓷为圆环形结构,不分区沿轴向极化,弯振压电陶瓷亦为圆环形结构,分为两个区沿轴向反向极化。经过合理的结构设计,当驱动电源将一定相位差超声频率的交流激励信号施予该复合振子内部的纵振压电陶瓷(纵振子)和弯振压电陶瓷片(弯振子)时,在压电陶瓷逆压电效应作用下,定子将同时被激发出纵向和弯曲两种振动,在复合振子的两端部合成为椭圆运动并经拨齿放大,当在定子与直线导轨之间施加一定的预紧力时,定子和直线滑轨之间的摩擦力就能带动直线滑轨做直线运动。
      电机定子对直线滑轨的驱动过程实际上是复合振子两种振动模态简并后所形成的复合振动模态周期性变化的过程。定子纵向振动达到振幅位置,弯曲振动恢复到平衡位置,此时,定子两端凸齿表面质点脱离滑轨,弯曲振速达到最大,纵向振速为零,定子纵向振动恢复到平衡位置,弯曲振动达到振幅位置,此时,定子右端凸齿接触滑轨,表面质点纵向振动,振速达到最大,指向拉伸方向,弯曲振速变为零,定子再次纵向振动达到振幅位置,弯曲恢复到平衡位置,此时,定子两端凸齿表面质点脱离滑轨,弯曲振速达到最大,纵向振速为零,定子再次纵向振动恢复到平衡位置,弯曲振动达到振幅位置,此时,定子左端凸齿接触滑轨,表面质点纵向振速达到最大,指向压缩方向,弯曲振速变为零。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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