摘要：研究了旋转行波超声波电机（rtwusm）定子设计参数：定子齿高、齿宽与槽宽比、定子内外圈直径、弹性支撑位置与定子所受预压力对超声波电机模态频率的影响，采用了有限元法与正交设计法研究了定子设计参数之间的交互作用，得出了各设计参数间的相互影响程度，得出定子齿高以及定子齿高与定子内圈直径的交互作用对于模态混叠的改善有很大作用，而预压力增大时对模态混叠无明显改善。该结论对超声波电机的优化设计，模态混叠现象的改善有一定价值。

关键词：超声波电机；定子；设计参数；交互作用；模态混叠

中图分类号：tm359. 9    文献标志码：a    文章编号：1001。6848( 2010) 05-0022-05

    环形旋转行波型超声波电机是一种利用压电陶瓷逆压电效应使电机定子产生超声振动其振动频率超过20 khz，并将这种振动通过摩擦耦合来驱动电机转子旋转的新型微电机。它作为一种响应速度快、低速大转矩、转动噪声低的直接驱动电机被广泛应用于航空航天、精密仪器和医疗器械等领域，其性能的分析与设计已经成为当前机电控制、设计领域的热点。

  王光庆研究了rtwusm在运行时，预压力对电机定子模态频率的影响，以及噪声特性和模态混叠现象的抑制情况。华侨大学的孙学亮，洪肖任等人将有限元法与实验相结合，研究了rtwusm定子从无齿到有齿变化时，其固有频率和振动的变化。新加坡国立大学的采用有限元法研究了rtwusm定子结构对电机的冲击，并对电机结构进行了优化。

    以上对rtwusm定子结构的研究主要侧重于单个设计参数的改变对电机模态频率的影响，很少考虑各设计参数间的交互影响作用。本文主要是研究rtwusm定子的各设计参数间是否存在交互作用，其交互作用对电机的模态频率的影响趋势与强度如何，从而为电机的定子设计提供参考依据。

   环形旋转行波型超声波电机( rtwusm)其定子和转子的结构如图1所示。

   

    其中定子是由压电陶瓷、胶粘剂和定子金属体所构成，并通过沉头孔和螺钉固定在电机外壳上。超声波电机是基于高频机械振动和摩擦驱动的机电一体化机构，其定子的振动状态研究是超声波电机分析中的技术难点之一。因此，rtwusm定子的设计在整个电机设计中占有重要地位，其主要设计参数有：定子齿高、齿宽与槽宽比、定子内外圈直径、压电陶瓷厚度、弹性支撑位置与定子所受预压力。rtwusm定子结构图，如图2所示。

  

    图2中a为定子固定在外壳基座的部分，b为振子弹性支持，c为定子金属体有齿部分，d为黏结层，e为压电陶瓷。rl和r2分别为定子的内径和外径，h为定子金属体总高度，ht为定子齿高，hp为压电陶瓷厚度，hc为弹性支撑位置。

    rtwusm的主要性能取决于定子的振动模态，所以定子的设计参数在整个设计中是至关重要的。本文主要研究：定子齿高、齿宽与槽宽比、定子内外国直径、弹性支撑位置与定子所受预压力这5项主要设计参数的重要程度与交互影响作用，丽将其他设计参数取为定值。

    rtwusm定子齿的作用是放大振动幅度，定子齿对电机的性能有很大影响，有齿情况下，电机的输出功率要远大于无齿的情况，对空载转速也有很大提高。定子齿将定子金属弹性体的弯曲振动有效地转化为驱动电机转子的切运动，因此，它的高度是一个重要的设计参数。定子齿太高或太低都会降低电机效率，通过三维有限元分析后得出齿高与其基底的厚度比为：

    齿的齿槽大小对rtwusm的转速波动有影响，当齿宽与齿