劉 炯，紀(jì)躍波，陳美謙，林忠華

(1.集美大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021)

0 引 言

行波型超聲電機(jī)是一種新型微特電機(jī)，其工作原理利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)，在定子齒表面形成行波通過(guò)摩擦直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)[1-3],與傳統(tǒng)電磁電機(jī)相比超聲電機(jī)具有輸出轉(zhuǎn)矩大、不受電磁干擾、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等，在航空航天、機(jī)器人、醫(yī)療等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[4-8]。

由超聲電機(jī)的工作原理決定其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是影響工作性能的重要因素[9-10]。文獻(xiàn)[6]提出柔性轉(zhuǎn)子可以增加轉(zhuǎn)子形變量，進(jìn)而減小接觸面上的徑向滑動(dòng)，使定轉(zhuǎn)子之間的接觸更均勻，進(jìn)而獲得較大的輸出轉(zhuǎn)矩．文獻(xiàn)[11]提出定子結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力有很大影響，但沒(méi)有就電機(jī)整體結(jié)構(gòu)變化對(duì)電機(jī)機(jī)械性能造成影響的分析。文獻(xiàn)[12]研究分析了中空型超聲電機(jī)柔性轉(zhuǎn)子對(duì)電機(jī)的影響，轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)影響接觸面接觸應(yīng)力的分布并優(yōu)化結(jié)構(gòu)使摩擦層磨損均勻分布。

由于超聲電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式特殊，單個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)電機(jī)接觸的影響并不能反映整體構(gòu)型參數(shù)對(duì)接觸面的影響，以及參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)。定子齒接觸面與摩擦層接觸間隙距離反映接觸狀態(tài)，探究多個(gè)構(gòu)型參數(shù)變化對(duì)接觸間隙距離的影響，進(jìn)而得出超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)變化對(duì)接觸狀態(tài)的影響規(guī)律，為超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)．

1 超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)模型

1.1 定轉(zhuǎn)子整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

行波型超聲電機(jī)主要由壓電陶瓷、定子、摩擦層和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，本文分析模型為直徑60 mm行波旋轉(zhuǎn)型超聲電機(jī)。轉(zhuǎn)子腹板厚度合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)可以增大定子作用面變形，減小轉(zhuǎn)子腹板厚度，增加轉(zhuǎn)子柔性，可以減小摩擦層與定子齒接觸面的徑向滑動(dòng)，進(jìn)而減小摩擦損耗，同時(shí)減小轉(zhuǎn)子腹板的柔性變形對(duì)接觸面積的影響。通常定轉(zhuǎn)子外徑尺寸保持相近，使接觸充分[13-14]。超聲電機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)電機(jī)機(jī)械性能產(chǎn)生較大影響，影響超聲電機(jī)接觸狀態(tài)的主要參數(shù)為轉(zhuǎn)子腹板厚度、柔性環(huán)節(jié)寬度和高度、定子腹板厚度。定轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖2 定子結(jié)構(gòu)圖

其三維分析模型如圖3所示，通過(guò)改變各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，觀察各參數(shù)對(duì)接觸面間隙距離的影響，為超聲電機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。各尺寸選擇如表1所示。

圖3 定轉(zhuǎn)子三維模型

d/mmh/mma/mmk/mm0.41.00.30.60.61.40.41.00.81.70.51.41.02.00.61.61.22.30.72.01.42.60.82.4

1.2 模型生成

應(yīng)用有限元分析軟件Ansys建立接觸分析模型，選擇八節(jié)點(diǎn)六面體solid185對(duì)定轉(zhuǎn)子進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定子和轉(zhuǎn)子表面摩擦層接觸問(wèn)題屬于面-面接觸，使用目標(biāo)單元TARGET170和接觸單元CONTA174，由于定子彈性模量較大，因此將定子上表面定義為目標(biāo)面，摩擦層接觸下表面定義為接觸面，接觸面摩擦系數(shù)為μ=0.15，為使分析模型更符合實(shí)際所處狀態(tài)，對(duì)轉(zhuǎn)子施加預(yù)壓力F=120N，使接觸摩擦力轉(zhuǎn)換為輸出力矩，并對(duì)轉(zhuǎn)子孔施加徑向約束，使徑向固定，對(duì)定子的螺釘孔進(jìn)行全約束，使其固定；對(duì)超聲電機(jī)靜態(tài)時(shí)接觸狀態(tài)的分析，壓電陶瓷對(duì)接觸面接觸狀態(tài)的影響較小，忽略考慮．分析模型的材料參數(shù)如表2所示。

表2 超聲電機(jī)主要材料參數(shù)

2 定轉(zhuǎn)子接觸間隙的影響分析

2.1 轉(zhuǎn)子腹板厚度和柔性環(huán)節(jié)寬度的影響

取柔性環(huán)節(jié)高度h=2 mm，定子腹板厚度k=0.6 mm。改變?nèi)嵝原h(huán)節(jié)寬度a和轉(zhuǎn)子腹板厚度d，對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行仿真分析，接觸最小間隙距離的變化曲線如圖4和圖5所示。

圖4 柔性環(huán)節(jié)寬度變化對(duì)應(yīng)間隙距離關(guān)系曲線

圖5 轉(zhuǎn)子腹板厚度變化對(duì)應(yīng)間隙距離關(guān)系曲線

根據(jù)圖4可得轉(zhuǎn)子腹板厚度不變時(shí)，隨著柔性環(huán)節(jié)寬度變大，接觸最小間隙距離變小，且變化趨勢(shì)明顯，其原因是在施加相同預(yù)壓力情況下，隨著柔性環(huán)節(jié)寬度變大，轉(zhuǎn)子柔性環(huán)節(jié)剛度變大，定轉(zhuǎn)子接觸面積減小，故局部接觸間隙距離變小，使超聲電機(jī)磨損加劇。

由圖5可得柔性環(huán)節(jié)寬度不變時(shí)，轉(zhuǎn)子腹板厚度變大，接觸最小間隙距離變化趨勢(shì)不明顯，其原因是在相同預(yù)壓力下轉(zhuǎn)子腹板厚度變小，形變量增大，但對(duì)接觸面積影響較小，故接觸最小間隙距離變化不明顯，可以得到轉(zhuǎn)子腹板厚度變化對(duì)接觸狀態(tài)影響較小。

圖6 不同柔性環(huán)節(jié)寬度接觸狀態(tài)分布圖

進(jìn)一步，由不同柔性環(huán)節(jié)寬度接觸狀態(tài)分布圖可知，柔性環(huán)節(jié)寬度變大，接觸區(qū)域主要分布在接觸面內(nèi)側(cè)。由此可得柔性環(huán)節(jié)寬度變大，接觸應(yīng)力集中在接觸面內(nèi)側(cè)，使接觸面局部磨損加劇。當(dāng)柔性環(huán)節(jié)寬度a=0.3mm時(shí)，接觸均勻。

2.2 轉(zhuǎn)子柔性環(huán)節(jié)寬度和高度的影響

取轉(zhuǎn)子腹板厚度d=1 mm，定子腹板厚度k=0.6 mm。改變?nèi)嵝原h(huán)節(jié)寬度a和柔性環(huán)節(jié)高度h，對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行仿真分析，接觸最小間隙距離的變化曲線如圖7和圖8所示。

圖7 柔性環(huán)節(jié)高度變化對(duì)應(yīng)間隙距離關(guān)系曲線

圖8 柔性環(huán)節(jié)寬度變化對(duì)應(yīng)間隙距離關(guān)系曲線

圖9 不同柔性環(huán)節(jié)高度接觸狀態(tài)分布圖

由圖7可得柔性環(huán)節(jié)寬度不變時(shí)，隨著柔性環(huán)節(jié)高度變大，接觸最小間隙距離逐漸變大。其原因是在相同預(yù)壓力條件下，柔性環(huán)節(jié)高度變大，其形變量增加，接觸面積增大，使定轉(zhuǎn)子接觸更加均勻，便于轉(zhuǎn)矩由定子傳遞到轉(zhuǎn)子。

由圖8可以得柔性環(huán)節(jié)高度不變時(shí)，柔性環(huán)節(jié)寬度變大，接觸最小間隙距離變小，其原因與結(jié)論2.1相同。

進(jìn)一步，由不同柔性環(huán)節(jié)高度接觸狀態(tài)分布圖可知，柔性環(huán)節(jié)高度對(duì)接觸狀態(tài)影響較小，且隨著高度h變大，接觸狀態(tài)趨于均勻。柔性環(huán)節(jié)高度h為0.6～1.4 mm時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子外側(cè)未接觸，h為1.0～2.4 mm時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子接觸均勻。

2.3 定子腹板厚度和柔性環(huán)節(jié)寬度的影響

取轉(zhuǎn)子腹板厚度d=1 mm，柔性環(huán)節(jié)高度h=2 mm。改變?nèi)嵝原h(huán)節(jié)寬度a和定子腹板厚度k，對(duì)超聲電機(jī)進(jìn)行仿真分析，接觸最小間隙距離如表5所示。

其對(duì)應(yīng)的變化曲線如圖10和圖11所示。

圖10 定子腹板厚度變化對(duì)應(yīng)接觸間隙距離關(guān)系曲線

圖11 柔性環(huán)節(jié)寬度變化對(duì)應(yīng)接觸間隙距離關(guān)系曲線

由圖10可以得柔性環(huán)節(jié)寬度不變時(shí)，定子腹板厚度變大，接觸最小間隙距離逐漸增大，其原因是在相同預(yù)壓力條件下，定子腹板厚度變大，剛度變大，定子形變量減小，使定轉(zhuǎn)子接觸面積增加，便于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的傳遞。

由圖11可以得定子腹板厚度不變時(shí)，柔性環(huán)節(jié)寬度變大，轉(zhuǎn)子形變量變大，原因和結(jié)論與2.1相同。并且當(dāng)柔性環(huán)節(jié)寬度a=0.5mm時(shí)定轉(zhuǎn)子接觸面接觸狀態(tài)最優(yōu)。

圖12 不同定子腹板厚度接觸狀態(tài)分布圖

進(jìn)一步，由不同定子腹板厚度接觸狀態(tài)分布圖可知，定子腹板厚度變大，接觸狀態(tài)趨于不均勻，當(dāng)定子腹板厚度k為1.6～2.4 mm時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)未接觸。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究根據(jù)對(duì)超聲電機(jī)整體結(jié)構(gòu)4個(gè)主要尺寸參數(shù)的仿真分析，通過(guò)分析接觸最小間隙距離與接觸狀態(tài)的關(guān)系，得出各結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)超聲電機(jī)接觸狀態(tài)的影響。從分析結(jié)果可以得出電機(jī)轉(zhuǎn)子腹板厚度的變化，對(duì)電機(jī)接觸間隙距離影響較小，定子腹板厚度、柔性環(huán)節(jié)寬度和高度的影響較大。在設(shè)計(jì)時(shí)柔性環(huán)節(jié)寬度取較小值、高度取較大值，使接觸面沿徑向接觸均勻，減小電機(jī)局部磨損，定子腹板厚度應(yīng)選取較小尺寸，增加接觸面積，以提高電機(jī)的機(jī)械性能，為電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。