面内弯纵模态耦合直线超声电机的有限元仿真及结构优化

作     者：冯书剑 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：施建章;沈伟

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：直线超声电机 结构优化 模态耦合 有限元仿真 正交实验 

摘      要：超声电机是一种新型微特驱动装置,具有启停灵敏,断电自锁,低噪声,结构简单,无电磁干扰等诸多优点,相比于传统电机,更适合于航天航空,精密控制等领域。超声电机技术涉及了材料力学,压电材料学,非线性摩擦理论,机械振动理论等多学科交叉的新领域。其理论体系复杂,目前还没有完善的理论体系依据,特别是电机结构优化设计方面。超声电机的定子结构是影响电机性能的关键因素之一。本文基于ANSYS软件,对一种面内弯纵模态耦合直线超声电机定子结构优化问题进行了较细致地仿真研究。论文的主要工作如下:(1)通过仿真分析对超声电机结构设计的可行性进行了研究。首先,通过模态分析进行仿真收敛性测试,并通过对比可靠数据,验证仿真构建的模型及条件符合实际情况。之后,对超声电机结构进行全仿真分析,在定子上选取3个观测点,得出在定子左右两端的中心,或者定子的棱线中点适合作为驱动足。结果表明超声电机可以驱动动子直线运动,验证超声电机结构设计的可行性。(2)研究了超声电机定子的主要结构尺寸参数对于模态耦合的影响;基于正交试验方法展开了弯纵模态频率差值和远离干扰模态的构造函数P的值为响应指标的结构尺寸优化设计方案。通过正交试验方法,分步骤设计实验,对压电振子结构尺寸进行优化,得到最佳压电振子结构尺寸(长度:32mm,长宽比:3.8,厚度1.2mm)。优化后的压电振子弯纵模态频率差仅44Hz,其他干扰模态没有混入且其频率远离弯纵模态频率,满足模态简并的要求。(3)研究不同的常用压电陶瓷材料对超声电机输出性能的影响。基于定子最优结构尺寸,通过对超声电机定子进行全面仿真分析,对比研究不同压电陶瓷材料的超声电机结构,找到最合适超声电机的压电陶瓷材料为PZT5H,由此对超声电机定子结构再次优化。(4)基于上面的定子结构优化后,对超声电机定子的压电陶瓷片粘贴方式进行改进。将原来使用的贴片式粘贴改为压电陶瓷内嵌式粘贴,增大压电陶瓷片与弹性基底的接触粘贴面积,提升压电陶瓷片和弹性基底间能量转换效率,从而提高超声电机的输出性能。实验仿真结果表明,改进后超声电机的输出性能得到明显提高,内嵌式粘贴方式超声电机的步距为1.2μm左右,空载速度60mm/s,对超声电机定子结构进一步优化。