ANSYS短柱超声波电机支撑仿真研究(2)

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1．1 超声波电机的发展史

1.2 超声波电机的特点及应用

1.2.1 超声波电机的特点

超声波电机是一种全新概念的微特电机，它利用压电材料的逆压电效应，使振动体在超声频段内产生振动，通过定子与动子间的摩擦输出能量。由于超声波电机具有传统磁式电机无法比拟的优点，因而发展迅速，应用日益广泛。由于超声波电机的驱动机理不同于传统的电磁式电机，因而具有磁式电机所不具有的一些特点[4]，主要有:

a.超声波电机弹性振动体的振动速度和依靠摩擦传递能量的方式决定了它是一种低速电机，同时其能量密度是电磁电机的5到10倍左右，使得它不需要减速机构就能低速时获得大转矩，可直接带动执行机构。论文网

b.电磁式电机在外界强磁场的影响下不能正常工作，它所产生的磁场也会影响周围某些对磁敏感设备的正常运行。超声波电机的构成不需要线圈与磁铁，本身不产生电磁波，所以外部磁场对其影响较小。

c.超声波电机断电时，定子与转子之间的静摩擦力使电机具有较大的静态保持力矩，从而实现自锁，省去了制动闸，简化了定位控制，其动态响应时间也较短。

d.超声波电机依靠定子的超声振动来驱动转子运动，超声振动的振幅一般在微米数量级，在直接反馈系统中，位置分辨率高，容易实现较高的定位控制精度。

e.超声波电机的振动体的机械振动是人耳听不到的超声振动，而且它不需要减速机构，因此也不存在减速机构的噪声，运行非常安静。

f.超声波电机独特的驱动机理适应了多种多样结构形式设计的需要，比如同一种驱动原理的超声波电机，为了应用于不同的安装环境，其外形可以根据需要改变。

由于超声波电机的特殊结构和运行机理，使得超声波电机具有不同于传统电磁型电机的优点，但是在研究中也同时产生了一些问题：

1）由于超声波电机是利用定、转子之间的摩擦传动的，其滑动接触比较复杂，传动规律难以精确地表达，目前还没有一个精确的模型来描述超声波电机。

2）超声波电机属于容性负载，会导致电机的谐振功率点的电流和电压相位不同，从而增加了电路中的无功损耗，输出效率较低。

3）由于压电材料的特殊性、摩擦发热和工作环境变化等问题，驱动转子的摩擦力将产生严重的非线性变化，这种变化使控制电机匀速转动的难度大大增加。

4）随着温度、输出转矩及定转子之间的静压力等外界条件的变化，压电陶瓷的谐振频率会发生漂移，从而导致电机性能的不稳定。

1.2.2 超声波电机的应用

超声波电机具有优良的性能，被广泛应用于微型机械、机器人、精密仪器、家用电器、航空航天、汽车等方面。例如：

a. 调焦系统

b. 精密定位控制

c. 机器人多自由度驱动

d.与医药工程和微机电系统结合

1.3 短柱超声波电机的研究现状

1.4 选题的意义

超声波电机定子支撑部分的结构对定子振动频率会产生一定影响[9]。支撑部分的位置对电机定子固有频率有一定影响，但是影响不大。随着支撑部分到定子底部距离的增大，定子的共振频率也随着增加，而且在不同的模态下，增加的幅度不一样，随着模态值的增大，定子共振频率增加的幅度减小。支撑部分的位置除了考虑对定子共振频率的影响以外,还要按照定子具体结构尺寸确定支撑部分的位置。超声波电机定子支撑部分的结构对电机固有频率有一定影响,支撑部分的位置对电机定子固有频率影响不大。本课题主要是来研究支撑方式对电机的影响,分别对固定支撑和弹性支撑做模态分析、谐响应分析, 从模态分析和谐响应分析结果中提取适合的工作模态，并根据定子端部质点的位移大小选择合理的支撑方式。