行波旋转型超声电机主要由转子、摩擦层、定子和压电陶瓷组成,如图1(a)所示.进一步通过ANSYS软件进行接触仿真分析,根据定子和转子最大接触应力分布图判断接触应力分布均匀程度,分析4个结构参数(转子的腹板厚度d、柔性部分高度h、柔性部分宽度a和定子腹板厚度k)的变化对接触状态的影响趋势和程度,并进行参数优化以达到减小接触区域磨损和提高电机机械性能的目的.为了使定子更多的能量传递给转子,转子外径通常与定子外径相近^[10-11],本研究选取定子外径60 mm、内径18 mm,转子外径59 mm、内径18 mm,摩擦片厚度0.5 mm,建立行波旋转型超声电机3D结构,如图1(b)所示.

图1 定子和转子结构图
Fig.1 Structure drawing of stator and rotor

应用有限元计算软件ANSYS建立超声电机的接触模型如图1(b)所示.选择20节点的solid95单元对定、转子进行三维网格划分,根据接触面接触对的设置方法将定子表面设置为目标面,将摩擦层与定子接触的下表面设置为接触面,并将接触对的摩擦系数μ设为0.15.根据电机工作的实际状况,对定子的螺钉孔进行全约束,对转子施加径向约束,使其不能发生平动.在转子的上表面施加预压力F=120 N,使定子和转子充分接触以传递转矩.由于定子上的压电陶瓷在静态时力的作用较小,所以可忽略压电陶瓷对定子上接触应力分布产生的影响,超声电机构件的材料参数如表1所示,各个部分参数的选择如表2所示.

表1 定子和转子材料主要参数
Tab.1 Main parameters of stator and rotor material

表2 行波旋转型超声电机尺寸参数
Tab.2 Size parameters of the traveling wave rotating ultrasomc motormm

应力的影响

取柔性部分宽度a和转子腹板厚度d为变量,设柔性部分高度为h=2 mm,定子腹板厚度为k=0.6 mm.定子和转子之间的最大接触应力如图2和3所示.

图2 不同d下a与最大接触应力关系
Fig.2 Relationship between a and maximum contact stress under different d

图3 不同a下d与最大接触应力关系
Fig.3 Relationship between d and maximum contact stress under different a

1)由图2可以得到,转子腹板厚度d不变时,随着柔性部分宽度a变大,定子和转子之间的最大接触应力变大,且变化趋势明显.其原因是在相同预压力F下柔性部分宽度a变大,柔性部分的压缩形变量变小,定子和转子之间的接触集中在定子和转子的内圈.接触面积减小,定子和转子之间的最大接触应力相应增大.

2)由图3中可以得到,随着转子腹板厚度d变大,最大接触应力呈无规律起伏变化,且变化趋势不明显.其原因为:在相同预压力F下,转子腹板的形变会使柔性部分受拉伸形变,与预压力使柔性部分受压缩形变相反,故腹板厚度的变化对定子和转子之间的接触面积的变化影响较小,定子和转子之间的最大接触应力变化不明显.

进一步分析得到d=1.0 mm时在不同柔性部分宽度a下接触应力分布情况(图4),由此可以看出,柔性部分宽度a变大,定子和转子之间的接触面积减小,接触应力分布逐渐集中,使超声电机磨损加剧.

图4 不同a对应的接触应力分布
Fig.4 Contact stress distribution of different a

取转子柔性部分宽度a和高度h为变量,设转子腹板厚度为d=1.0 mm,定子腹板厚度为k=0.6 mm.定子和转子之间的最大接触应力如图5和6所示.

图5 不同h下a与接触面最大应力关系
Fig.5 Relationship between a and maximum contact stress under different h

图6 不同a下h与最大接触应力关系
Fig.6 Relationship between h and maximum contact stress under different a

1)由图5可以得到,随着柔性部分宽度变大,最大接触应力整体呈逐渐变大的趋势,结论与2.1相似.当柔性部分为细长状时,随着a的减小,转子腹板加载在柔性部分的张力大到一定程度时会使柔性部分发生变曲,使定子和转子间接触面集中到内圆,最大接触应力反而变大(如图5中a=0.3 mm,h=2.6 mm的点).

2)由图6中可以得到,随着转柔性部分高度h变大,最大接触应力整体变小,且当a=0.3 mm时最大应力曲线呈现转折趋势.其原因为:在相同预压力F下,柔性部分高度h变大,形变量增加,接触面积变大使最大接触应力减小.当a=0.3 mm时,柔性部分高度h出现最优值2.0 mm.

进一步,分析得到如图7所示a=0.4 mm时在不同柔性部分的高度h下接触应力分布情况,由此可以看出,柔性部分高度h变大,接触应力分布逐渐分散,定子和转子接触均匀,增加超声电机使用寿命.

图7 不同a对应的接触应力分布
Fig.7 Contact stress distribution of different flexible link heights

取柔性部分宽度a和定子腹板厚度k为变量,设转子腹板厚度为d=1.0 mm,柔性部分高度h=2.0 mm.最大接触应力结果如图8所示.

图8 不同k下a与最大接触应力关系
Fig.8 Relationship between a and maximum contact stress under different k

1)在相同柔性部分宽度a的情况下定子腹板厚度k变大,最大接触应力变小,且变化趋势明显.其原因是相同预压力作用下定子腹板厚度k变大,定子形变量减小,接触面积变大,使定子和转子接触更均匀.

2)随着柔性部分宽度a变大,最大接触应力整体呈变大趋势,结论与2.1相似,但当定子腹板厚度为1.4和1.6 mm时,柔性部分宽度会出现最优值(a=0.4 mm).

取柔性部分高度h和定子腹板厚度k为变量,设转子腹板厚度为d=1.0 mm,柔性部分宽度为a=0.5 mm.最大接触应力结果如图9所示.

图9 不同k下转子h与最大接触应力关系
Fig.9 Relationship between h and maximum contact stress under different k