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基于面内复合模态的直线超声电机振子有限元分析

时间:2017-11-13 14:12:00   来源:本网   添加人:admin

  DOI栽货出锢塍t基于面内复合模态的直线超声电机振子有限元分析张铁民,秦勇,刘仁鑫(华南农业大学工程学院,广州510642)张铁民一种新型的矩形压电复合板直线超声电机它除了具有直线超声电机的共同特点之外,还具有自身的薄、小、轻、驱动力大等突出特点,可直接用于计算机硬盘磁头驱动等外设装置。该矩形压电复合板直线超声电机利用矩形压电复合振子平面内的两种弯、弯振动模态合成。在一定预紧力作用下,矩形板的两侧边将产生驱动力使动子移动。本文通过ANSYS有限元分析软件对矩形压电复合振子进行了详尽的模态分析,分析讨论了结构参数及弹性体材料对于矩形压电复合层板模态的影响,为利用面内复合模态的矩形压电复合板直线超声电机的设计奠定了基础。

  超声电机是利用压电元件的逆压电效应使振子产生高频(超声波)振动而驱动转子(或滑块)运动的一种新型电机。它与传统的电磁电机相比有着完全不同的原理和结构,因而具有一些电磁电机所没有的特点,如:结构简单、紧凑,电机形状可灵活变化(如圆柱形的、球形的、中空形等)功率密度大;低速大扭矩,不用齿轮箱而直接驱动负载;响应快、控制性能好;与磁场无缘,不受外来电磁干扰,它本身亦不产生电磁干扰;具有良好的断电自锁能力;振动和噪声低等。目前超声电机已广泛应用于国防、科技和工业领域。直线超声电机则是通过压电陶瓷的逆压电效应和基金项目:国家自然科学基金项目(60273065)和广东省自然科学基金项目(010316)资助摩擦传动将电能转换为直线运动的机械能,相应的移动体称作动子。通常直线电机的振子由压电陶瓷与弹性体复合而成,或者单独由压电陶瓷构成振子。按直线超声电机振子的动作方式可将其分为两种,如果振子作为直线电机的动子则称为自行式,如果振子作为直线电机的定子,则称为他动式。直线超声电机除了具有超声电机的特点外,还具有无需运动转换机构,直接驱动等优点。近年来小型、高速、大推力直线超声电机在半导体工业和精密定位装置中有着广泛的应用,成为国内外超声电机研究的热点11计算机产品正向小型化、轻型化及薄型化方向发展,计算机硬磁盘在尺寸上的发展也非常迅速。从1980年的14英寸、8英寸发展到现在的5.25英寸、3.5英寸直到1.8英寸。计算机产品的小型化、轻型化及薄型化要求担负着精密控制和驱动功能的微特电机向更小、更轻、更薄以及高效率、高精度、低振动、低噪声等方面发展,电机小型化对计算弹性体箱体导轨调整垫片机产品整机小型化起着十分关键的作用。

  本文提出了一种新颖的小型直线超声电机自行式矩形压电复合板直线超声电机,它除了具有直线超声电机的共同特点之外,还具有自身的薄、小、轻、驱动力大等突出特点,可直接用于计算机硬盘磁头驱动等外设装置。该电机复合振子(以下简称复合振子)可直接与计算机磁头组件做成一体,从而可以直接实现磁头的直线运动,使传动系统具有体积变小、结构简单,响应速度更快、定位更准确、位置分辨率更高以及不产生电磁场等优点,满足现代信息行业计算机硬盘等外部设备的磁头驱动要求,适应计算机技术高速发展的需要。

  1电机结构及工作原理L1电机结构箱体导轨压电陶瓷为该矩形板直线超声电机的结构示意图,复合振子的两侧边与轨道接触,在一定预紧力作用下,复合振子与导轨之间将产生摩擦力,该摩擦力将驱动振子沿导轨移动。

  构示意图。它由压电陶瓷片和金属弹性体粘接而成,分上下两层,上层为压电陶瓷片,下层为金属弹性体,其中金属弹性体两侧边开有矩形槽,以放大两侧边的微观运动,提高复合振子的移动速度。

  12原理分析复合振子结构示意图在一定频率激励下,经过适当的结构设计和材料的选择,在复合振子面内将同时产生两种弯曲振动模态,如(a)和(b)所示,与轨道相接触的复合振子两侧边质点经运动合成后,其质点的运动趋势如(c)所示,复合振子面内两种弯曲振动模态复合的一个周期运动过程如所示,在一定的预紧力作用下,将使复合振子的两侧边与两导轨之间产生摩擦力,复合振子在摩擦力的驱动下,沿着导轨做直线运动若将磁头与复合振子做成一体,磁头将沿着导轨方向做直线运动。图中虚线为复合振子处于原始状时的尺寸。

  面内两种弯曲振动模态原理示意图矩形板压电陶瓷鉴于压电陶瓷较脆V易断裂的特点,该直线超声电机的振子采用由金属弹性体和压电陶瓷粘结而成的复合层板,其中金属弹性体用于提高振子的强度和刚度,压电陶瓷用做振子的驱动器。

  为了能够改变振子的移动方向,将压电陶瓷分为两个对称区,沿厚度方向同向极化,如所示。分别在矩形压电陶瓷片的两个极化区施加相位差90°、同一频率(大于20kHz)的高频高压交流电,振子就可实现直线运动,如果在矩形压电陶瓷片的两个极化区交换输入信号,就可使振子反向运动。

  2矩形板振子有限元模型及边界条件为了同时激发出矩形板平面内两种振动模态,必须设计合理的结构参数,对矩形压电复合板直线超声电机振子进行模态分析,为此,首先采用AN SYS7.0有限元分析软件建立复合振子的有限元计算模型。

  为利用ANSYS7矩形板振子有限元模型0有限元分析软件构建的弹性体材料对平面内弯曲振动频率的影响复合振子宽度W对平面内弯曲振动频率的影响0压电陶瓷厚度H对平面内弯曲振动频率的影响矩形板直线超声电机振子的有限元模型,根据电机的结构可以确定复合振子的边界条件如下:振子与导轨接触的两侧边受压力作用,前后侧边自由。

  通过对电机振子有限元模型构建和电机原理分析,利用ANSYS70确定面内两种弯曲振动模态,如所示。

  复合振子面内弯曲振动模态3复合振子结构与材料参数对面内两种弯曲振动频率的影响在电机的基本结构确定的情况下,复合振子的结构参数对电机的能否正常工作有着至关重要的影响,基于前述的原理分析,必须研究复合振子的结构参数及材料参数对于面内两种弯曲振动模态的影响,以便设计合理的复合振子的结构形状和尺寸,在同一频率下,同时激发出两种面内弯曲振动模态,实现振子的直线运动。

  复合振子的结构参数主要如下:L为弹性体长(压电陶瓷长)W,为压电陶瓷宽;H为压电陶瓷厚;W为弹性体宽;为弹性体主体厚;为矩形槽长;B为矩形槽宽;C为矩形槽厚。W,为了使所设计的直线超声电机具有薄、小、轻的特点,复合振子的主要结构参数的取值范围如下:30mm、W‘30mm、1 25mm由此逐一分析弹性体材料和复合振子尺寸参数对面内两种弯曲振动频率的影响。

  3.1弹性体材料对平面内弯曲振动频率的影响不同弹性体材料如表1所示。在复合振子的其它结构尺寸参数一定的条件下,利用ANSYS7 0有限元分析软件计算不同弹性体材料对平面内两种弯曲振动频率的影响,如所示。

  表1不同弹性体材料参数材料密度弹性模量泊松比黄铜紫铜铝钢1钢2从可以发现弹性体采用铝、钢时,模态1和模态2的频率很高,且均在80ffiz以上,而弹性体采用铜时,两模态频率相对要低,在60kHz左右。在相同情况下弹性体为黄铜时复合振子的共振频率最低,由于复合振子的共振频率越高,则电机的工作频率也相应越高,那么将导致电机的输出功率下降,并同时导致电机的温度升高,鉴于此,该种直线超声电机复合振子的弹性体材料选择黄铜为宜。

  32复合振子长度L对平面内弯曲振动频率的影响选取弹性体材料为黄铜,在复合振子的其它结构尺寸一定条件下,长度L对平面内两种弯曲振动频率的影响,如所示。

  内弯曲模态1的频率/随长度L的增加而增加,复合振子长度L对平面而面内弯曲模态2的频内弯曲振动频率的影响率随长度L的增加而减小,长度L的变化对面内两种弯曲频率的影响完全相反。

  33复合振子宽度W对平面内弯曲振动频率的影响选取弹性体材料为黄铜,在复合振子的其它结构尺寸一定条件下,复合振子宽度W对平面内两种弯曲振动频率的影响,如所示。

  曲模态1和弯曲模态2的频率和/2均随着宽度的增加而减小。

  34压电陶瓷厚度i/对平面内弯曲振动频率的影响选取弹性体材料为612黄铜,在复合振子的其它‘结构尺寸一定条件下,压电陶瓷的厚度H对平面>.4内两种弯曲振动频率的60影响,如0所示。

  曲模态1和弯曲模态2的频率/1和/2均随着压电陶瓷厚度的增加而增加。

  35弹性体主体厚度H对平面内弯曲振动频率的影响选取弹性体材料为黄铜,在复合振子的其它结构尺寸一定条件下,弹性体主体厚度对平面内两种弯曲振动频1弹性体的主体厚度对平面内弯曲振动频率的影响率的影响,如1所示。

  曲模态1和弯曲模态2的频率和/2均随着弹性体厚度的增加而增加。

  限元分析对复合振子进行的模态分析可以发现,复合振子的中心点为振子的节点,此节点可以作为复合振子与磁头的连接点。

  4结束语通过ANSYS有限元分析软件对复合振子进行模态分析,并对影响振子面内弯曲振动频率的因素复合振子的结构参数以及弹性体材料参数进行了分析计算,计算结果显示复合振子的不同结构参数以及不同材料的弹性体对复合振子在面内的两种弯曲振动频率都有着不同程度的影响。其中,复合振子的长度L宽度W以及弹性体材料对复合振子在面内的两种弯曲振动频率的影响比较大,而压电陶瓷厚度和弹性体厚度对复合振子的这两种弯曲振动频率影响相对较小。在选择弹性体材料时应优先选用使复合振子共振频率偏低的材料黄铜较好。通过适当改变复合振子结构参数和选择合适的弹性体材料,可以设计出同时具有面内的两种弯曲振动的复合振子及其直线超声电机。

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