圆柱弯曲型超声波电动机定子优化设计
王中营，焦群英，陈宇，周铁英
(1．中国农业大学，北京l00083；2．清华大学，北京100084)
摘要：圆柱弯曲型超声波电动机在工作时其定子要具有合适的工作模态。为满足该工作模态，早期设计中需对定子结构设计方案进行多次修改和试算，该方法耗时又不理想。在参数化设计语言APDL的环境下编制了定子结构优化设计程序。计算结果表明：该程序能准确地识别出定子所需工作模态，优化后的定子结构满足预期的设计要求，且计算精度和设计效率得到提高。
关键词：超声波电动机；有限元法；优化设计；定子结构；压电陶瓷
O 引 言
超声波电动机是利用压电陶瓷的逆压电效应，激励定子产生某些特定的超声振动模态，并通过定、转子间接触面的摩擦作用来实现驱动的一种新型微特电机。其中超声波电动机是较典型的一类行波型超声波电动机，其定子结构采用兰杰文振子形式，与其他超声波电动机的结构形式相比，它不但拥有一般超声波电动机的优点，还具有激振效率高、压电陶瓷无需粘贴、成本低、易于实现自动化生产等优点。这类电机研制成功后，它将会部分地取代传统的小型或微型电磁电机，在航空航天、国防军事、微型机器人、医疗、电子设备等高科技领域中将会有广阔的应用前景。
然而，在对该类型电机定子结构进行设计时，为了提高电机的机电转换效率和改善电机的输出性能，定子的工作模态应满足一定的设计要求，这无疑会增大定子的设计难度。作者在早期设计中采用了“试算法”，即对定子结构设计方案进行多次修改和试算，它适应于修改参数数量较少的情况下，但当修改参数数量较大时该方法带有很大的盲目性，使得整个设计工作繁琐、低效且定子结构未必能达到****。为解决“试算法”所面临的弊端，文献[5 7]提出了基于MATLAB环境下自编程建立有限元模型及优化算法来对定子结构进行优化。但该方法具有编程灵活性不强、计算精度低、易出现人为错误等缺点，且并未考虑压电陶瓷的压电耦合场效应及电学边界条件等。
针对上述问题，本文探讨了基于ANsYs软件的参数化设计语言APDI。的环境下编制了定子结构自动优化设计程序，从建立定子有限元模型、模态分析到结构优化等完全在该程序控制下自动进行，所得的定子结构能很好地满足电机定子的设计要求，提高了该类型电机的设计效率。
1运行机理和定子模态的设计要求
圆柱弯曲型超声波电动机的结构如图l所示。它主要由转子、圆柱定子和轴组成。其中定子由上配重块和下配重块通过螺栓将压电陶瓷片组压紧形成兰杰文振子。压电陶瓷片的极化方式和布局如图lb所示。当在A、B两组压电陶瓷片上施加相位差为90o的同频交流电压时，由于压电陶瓷的逆压电效应，在定子上激励出两个在时间上和空间上相差90o的一阶弯曲振动模态，叠加这两个弯曲振动模态，将在定子顶端面形成一行波，行波行进时使得定子顶端面上的任一质点作椭圆运动。定子与转子相接触的点对转子产生沿圆周的切向摩擦力，从而驱动压在其上的转子旋转。
为有效地提高电机的机电转换效率和改善电机的输出性能，从结构形式上认为定子具有合适的工作振型、频率等模态信息至关重要，根据其运行机理和特点，定子模态应满足以下三项设计要求：
(1)激发一阶弯曲振型的A、B两组压电陶瓷片置于该振型的波峰或波谷平面上。
(2)定子驱动端具有尽可能大的振幅。
(3)具有合适的模态频率。
定子的模态信息取决于定子的结构形式、尺寸参数及材料组合等因素。通常情况下定子材料保持不变，因此仅从定子的结构形式和尺寸参数上进行优化。要求(1)在文献[10]中有详细陈述。为满足(2)、(3)要求，通常在圆柱定子驱动端开槽和增加定子末端质量。开槽有三个目的：一是增加驱动端的振幅；二是降低定子的模态频率，降低定子内部能量损耗，提高电机效率；三是调节定子的模态频率，使其位于合适的范围内。增加定子末端质量有利于增大驱动端与末端的振幅比，将振动能量尽量传递到驱动端，从而进一步放大驱动端的振幅。基于此，我们在定子末端增加一个凸台。
2电机定子的优化设计
2 1定子结构设计参数的确定
上述确定了定子的结构形式，尺寸参数如何依赖于定子结构的优化设计。图2为定子结构简图和尺寸参数示意图，其中部分尺寸参数是确定的，如压电陶 |
