多振子压电电机转子的结构设计及其仿真

。
另外接触面上的应力过于集中， 加速摩擦条磨损， 且不稳定。 在保证转子足够的机械强度的情况下， 采用柔性机构形式， 且转盘由外圈到内圈逐渐变薄 。
转盘 阶梯孔 键槽 柔性机构
a)f=38.297kHz%
b)f=39.385kHz
图2
Βιβλιοθήκη Baidu柔性转子设计结构图
c)f=40.846kHz%
图4
1.32e-6 7.1e-7 3.85e-7 2.07e-7 1.12e-7 6.05e-8 2.4e-8 1.75e-8 9.25e-9 3.8e+4
［1 ］
（ 三） 转子的结构设计。 多振子压电电机关键在于多个 振子的协同一致性驱动转子旋转 。 本电机是通过转子对所 有振子进行统一施加压力预紧， 而不是对每一个压电振子都 进而实现同步驱动。 根据摩擦驱 单独配备相应的预紧机构， 动原理， 纵弯压电振子需要的压力是一个重要参数， 对电机 分为动力传输 的机械特性影响较大。转子结构如图 2 所示， 和压力调节两个部分。 转子与传动轴通过四个相互间隔 对 称的键槽进行配合连接， 能够保证转子和传动轴的垂直度； 在键槽之间开出四个阶梯孔， 利用四个预紧螺钉及套在其上
。 在预紧机构的压力作用下， 驱
动头推动转子单向旋转 。 另外， 激励电极 Ⅰ 时， 压电陶瓷片 （ B、 C） 也随着振子做纵弯振动， 根据压电陶瓷的压电效应，
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Industrial & Science Tribune 2011.（10）.19
产业与科技论坛 2011 年第 10 卷第 19 期
［1 ］
电极 Ⅱ 输出高频交变信号， 且相位与激励电极 Ⅰ 的信号相 位相反， 幅值相同 。 利用相位检测器或者采样电极 Ⅱ 的电 压电流值对激励电极 Ⅰ 进行频率控制 。 同理， 激励电极 Ⅱ 时， 通过检测 电 极 Ⅰ 对 电 极 Ⅱ 进 行 输 入 控 制， 转子反向旋 转 。 即两个电极进行交替驱动和检测促使多个压电振子都 在相一致的谐振频率上协同微振动 。 工作过程： 激励电机 上压电单元所有压电振子的电极 Ⅰ 和下压电单元所有压电 振子的电极 Ⅱ 时， 检测相异电极， 电机正转 。 反之， 电机反 转。
［2 ］
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图1 多振子旋转型压电电机结构图
A B CD
进行总体的功率及力矩叠加 。
纵弯振子由 4 个沿厚度方向极化的矩形的压电陶瓷片 （ A、 B、 C、 D） 和王字形紫铜弹性体组成 。 共配置三个电极： 其中 D ） 正面连接为电极 Ⅰ ； 压电 斜对角的两块压电陶瓷片（ A、 C） 连接为电极 Ⅱ ； 整个纵弯振子的背面为全电 陶瓷片（ B、 极 Ⅲ 并接地， 即电极 Ⅰ 与电极 Ⅱ 的共地电极 。 当对电极 Ⅰ 施加高频交变电信号时， 传动轴（ 1 ） 、 轴承（ 2 ） 、 上端盖（ 3 ） 、 锁紧螺钉（ 4 ） 、 转子（ 5 ） 、 环形摩擦条（ 6 ） 、 弹簧（ 7 ） 、 电路板 （ 8） 、 机壳（ 9 ） 、 底座（ 10 ） 、 压电振子（ 11 ） 、 固定片（ 12 ） 、 驱 D ） 发生 轴承（ 14 ） 、 下端盖（ 15 ） 、 压电陶瓷片（ A、 动头（ 13 ） 、 逆压电效应产生纵向振动， 由于反对称配置， 间接引起矩形 振子产生弯曲振动， 同频率的纵弯振动在驱动头尖端处的 质点产生椭圆振动轨迹
d)f=42.942kHz
转子的固有频率和振型
图3
转子的应变分布云图
转子的动力学计算原理 二、 （ 一） 转子模态分析理论。 多自由度系统动力学微分方
［4 ］ M］ ｛ x（ t） ｝ + ［ C］ ｛ x（ t） ｝ + ［ K］ ｛ x（ t） ｝ = ｛ F （ t ） ｝ 程为 ： ［
。
一、 多振子压电电机的结构和原理 （ 一） 电机的结构。为了更好说明多振子旋转型压电电 机中转子的作用和位置， 引入电机总体结构图。 图 1 所示， 共配置两套压电动力单元， 且每个单元均由定子、 转子、 及预 紧机构组成。定子机构为电机动力的产生部件， 将上下两块 回字形固定片对矩形纵弯压电振子进行粘结支撑后安装在 具有多个圆周分布矩形槽的环形底座上（ 本文每个动力单元 选择 12 振子） ； 调节锁紧螺钉的松紧改变转子与定子机构之 间的压力。 （ 二 ） 驱动原理与反馈控制 。 多振子压电电机通过并联 多个矩形纵弯型压电振子
【关键词】 压电电机； 多振子； 模态； 谐响应 【作者单位】 焦海坤、 吕琼莹、 万渊、 杨艳， 长春理工大学机电工程学院
压电电机利用压电陶瓷的逆压电效应， 并通过与弹性体 组成的定子机构将高频交变电信号转变为椭圆振动， 利用 定、 转子机构之间的摩擦或气悬浮等介质转化成机械动能形 式输出。转子不仅是电机动力输出组件， 并且是预紧机构的 重要组成部分， 对多个振子协议同一致性驱动的同步性有一 定的影响。设计时， 不仅考虑到转子的密度 、 惯量、 强度等静 力学基本要求； 而且兼顾电机在工作时， 其振动模态， 谐响应 振动等动态响应特性； 另外为达到到电机输出的速度 、 力矩、 稳定等性能指标， 采用柔性形式的转子。 最终确定其具体结 构及其尺寸
的弹簧对转子施加压力， 总压力大小为四个弹簧产生的压力 并且单个螺钉的调节对总体压力的调节影响不大， 这 之和， 加大了压力的调节范围和精度 。 多个压电振子需要在转 样， 子上施加较大的轴向预紧力， 转子产生径向弯曲形变， 使其 外圈上翘进而减小了定子结构和转子之间的接触面积
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三、转子 ANSYS 计算模型 （ 一） 有限元模型构建。此转子为轴对称结构， 只需进行 二维有限元分析。故选用智能自由网格划分法，在网格密度 一定的情况下，同样可保证较高的计算精度 。
产业与科技论坛 2011 年第 10 卷第 19 期
多振子压电电机转子的结构设计及其仿真分析
□焦海坤 吕琼莹 万 渊 杨 艳
【摘
要】 本文通过 ANSYS 有限元软件对多振子压电电机柔性转子进行结构分析 ， 并利用模态分析得出的固有频率及振型结 进行谐响应仿真分析。对电机以及同类转子的设计与制造有一定指导意义 。 果，