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  文章标题:柱状弯曲旋转超声波电动机定子振动特性
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作者:ilovewhat  发表时间:2010-1-27 16:03:46
                                                                 柱状弯曲旋转超声波电动机定子振动特性
 
    摘要:超声波电动机定子共振频率的确定是电机设计的关键问题之一。随着定子径长比的增大,转动惯量与剪切变形对共振频率的影啊应加以考虑。通过分析目由一自由铁摩辛柯梁的弯曲振动,完善了考虑动惯量与剪切变形时用于兆振频率计算的解析公式,利用有限元方法,分别对长25mm、50mm、100mm,内外径比为O j的45号钢等截面梁,进行r仿真与数值计算。结果表明,在径长比小于1时,两者结果基本致。最后,通连对已有样机的实例验证,比较了仿真、数值计算以及实测三种研究方法的研究结果。比较结果表明,三者所得共振频率值吻合情况较好。
    关键词:超声波电动机;弯曲振动;解析公式
O引言
    弯曲旋转超声波电动机是超声波电动机中的一种,它是利用柱体定子在受到与其弯振吲有叛率相对应的电信号作用下,沿定子轴向产生两路正交的弯曲驻波振动,进而在定子端面合成一行
波振动,由此行波实现转子的驱动lJ J,最终达到机械能输出的目的。目前此类超声波电动机已在照相机、精密微动台等驱动系统中得到了成功应用12。
    随着微机电系统的发展,对超声驱动器提出了微型化要求,使得超声波电动机定子在保持锾型径向尺寸的同时,定子长度在进一步缩短。J,导致定子外径与长度的比值增大。随着定子径长比的增大,转动惯量与剪切变形对其共振频率的影响将不能忽略,而超声定子振动频率的确定不但是定子振动特性研究也是电机设计中的关键问题之一。由此,若采用基于细长梁假设的自庄一自由弯曲振动共振频率解析公式口J,计算结果将产生一定误差。文献[9]与文献[10]考虑了转动惯量与剪切变形的影响,扩宽了公式适用的径长比范围,但在求解共振频率解析公式时,亦用到了细长梁的假设条件,因此在用于频率计算时,适用范围仍然受到一定的限制。
    本文在考虑转动惯量与剪切变形影响的基础t,对目由一自由等截面铁摩辛柯梁的弯曲振动.进行了理论分析,推导出适用于大径长比范围(0式,完善了相关理论。通过ANsYs仿真及实例验证,仿真与实例验证结果证明了解析公式的正确性。
1理论研究
1 1解析公式的推导
    随着超声波电动机定子径长比的增大,转动惯量与剪切变形对其共振频率的影Ⅱ『司将不能忽略。考虑转动惯量与剪切变形时,均质等截面梁的振动微分方程可表示为【11】

(1)


式中:E一材料弹性模量(GPa):G  材料切变模量(GPa);p一材料密度(kg/m3);I  梁对中心轴的惯性矩(m4);A一弯曲梁的截面积(m。):k,  与梁截面形状有关的常数,矩形截
面时k—O.833,圆形截面时k,=0.901。自由一自由梁的弯曲振动方程:


       
A1与振动幅值有关的系数W一弯曲振动共振角频率(rad/s);竹一激振信号与振动啊应间相位差(rad)。
  将(2)微分后代入(1)式得:


       同理可表述为,式中各参数含义同前所述。
    由式(6)分析得,当梁的径长比较小,即为细长梁时,修正系数日,趋近于1,无需修正;当梁的径长比较大时,修正系数O<Ⅳ,<1,需要考虑转动惯量与剪切变形对固有频率的影响,应
当对不考虑转动惯量与剪切变形时的固有频率进行修正。
1 2不同解析公式的比较
    (I)(II)(III)分别为已发表论文和本文用于自由.自由弯曲振动梁共振频率计算的解析公式。

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