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    直線超聲電機(jī)振動(dòng)模態(tài)的有限元分析

    發(fā)布于:2016-05-10 18:31
    有限元分析

          傳統(tǒng)的直線電磁電機(jī)在機(jī)床進(jìn)給、機(jī)器人和汽車車窗的升降系統(tǒng)等應(yīng)用中,存在氣隙較大,傳動(dòng)剛度小,使用稀土永磁體成本較高,電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)沒(méi)有保持位置的功能,體積大,產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)周圍環(huán)境有電磁干擾,且有電磁噪聲等缺點(diǎn)。縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)反應(yīng)快速靈敏、推力大、行程大、高效,能夠避免上述傳統(tǒng)直線電磁電機(jī)的缺點(diǎn),但目前國(guó)內(nèi)對(duì)該類電機(jī)研究甚少。在縱彎式駐波壓電微電機(jī)等方面開展了研究,并成功研制了一臺(tái)5mm的壓電微電機(jī)。譚軍安等利用波動(dòng)方程推出了縱振動(dòng)和彎振動(dòng)的頻率方程,從而研制出了夾心式縱彎復(fù)合振動(dòng)模式的超聲換能器。但由于這些電機(jī)的機(jī)理較復(fù)雜,研究的歷史還很短,許多問(wèn)題還有待進(jìn)一步研究。
          本研究主要利用有限元分析方法對(duì)夾心式縱彎復(fù)合振動(dòng)模式的超聲電機(jī)定子進(jìn)行仿真數(shù)值計(jì)算與參數(shù)分析,討論和歸納了參數(shù)改變對(duì)電機(jī)定子諧振頻率和振型的影響以及實(shí)現(xiàn)縱向、彎曲振動(dòng)模態(tài)簡(jiǎn)并的一般規(guī)律,并通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析,對(duì)有限元分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較。
    縱彎復(fù)合型直線超聲電機(jī)基本結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。該電機(jī)由定子和直線滑軌兩部分組成,其關(guān)鍵部件定子(驅(qū)動(dòng)振子)是采用螺栓緊固夾心結(jié)構(gòu)的壓電復(fù)合振子。縱振壓電陶瓷為圓環(huán)形結(jié)構(gòu),不分區(qū)沿軸向極化,彎振壓電陶瓷亦為圓環(huán)形結(jié)構(gòu),分為兩個(gè)區(qū)沿軸向反向極化。經(jīng)過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源將一定相位差超聲頻率的交流激勵(lì)信號(hào)施予該復(fù)合振子內(nèi)部的縱振壓電陶瓷(縱振子)和彎振壓電陶瓷片(彎振子)時(shí),在壓電陶瓷逆壓電效應(yīng)作用下,定子將同時(shí)被激發(fā)出縱向和彎曲兩種振動(dòng),在復(fù)合振子的兩端部合成為橢圓運(yùn)動(dòng)并經(jīng)撥齒放大,當(dāng)在定子與直線導(dǎo)軌之間施加一定的預(yù)緊力時(shí),定子和直線滑軌之間的摩擦力就能帶動(dòng)直線滑軌做直線運(yùn)動(dòng)。
          電機(jī)定子對(duì)直線滑軌的驅(qū)動(dòng)過(guò)程實(shí)際上是復(fù)合振子兩種振動(dòng)模態(tài)簡(jiǎn)并后所形成的復(fù)合振動(dòng)模態(tài)周期性變化的過(guò)程。定子縱向振動(dòng)達(dá)到振幅位置,彎曲振動(dòng)恢復(fù)到平衡位置,此時(shí),定子兩端凸齒表面質(zhì)點(diǎn)脫離滑軌,彎曲振速達(dá)到最大,縱向振速為零,定子縱向振動(dòng)恢復(fù)到平衡位置,彎曲振動(dòng)達(dá)到振幅位置,此時(shí),定子右端凸齒接觸滑軌,表面質(zhì)點(diǎn)縱向振動(dòng),振速達(dá)到最大,指向拉伸方向,彎曲振速變?yōu)榱悖ㄗ釉俅慰v向振動(dòng)達(dá)到振幅位置,彎曲恢復(fù)到平衡位置,此時(shí),定子兩端凸齒表面質(zhì)點(diǎn)脫離滑軌,彎曲振速達(dá)到最大,縱向振速為零,定子再次縱向振動(dòng)恢復(fù)到平衡位置,彎曲振動(dòng)達(dá)到振幅位置,此時(shí),定子左端凸齒接觸滑軌,表面質(zhì)點(diǎn)縱向振速達(dá)到最大,指向壓縮方向,彎曲振速變?yōu)榱恪?/span>


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