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国际刊号:1004-6801
国内刊号:32-1361/V
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基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机
Double⁃Legged Micro⁃rotary Ultrasonic Motor Based on In⁃Plane Mode
  
DOI:10.16450/j.cnki.issn.1004?6801.2021.04.027
中文关键词:  旋转超声电机  面内模态  有限元分析  灵敏度分析  结构优化设计
英文关键词:rotating ultrasonic motor  in-plane mode  finite element analysis  sensitivity analysis  structural optimization design
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51775274);江苏省自然科学基金资助项目(BK20170119);南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金资助项目(kfjj20180103)
作者单位
闫鹤1, 孙志峻1, 郑炬炬1, 杨建林1, 郭语2, 钱丰1, 彭瀚旻1 (1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 南京210016)(2.金陵科技学院机电工程学院 南京211169) 
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中文摘要:
      针对现有旋转超声电机不易与其他装置连接,以及因弹簧预紧造成轴向尺寸过长等问题,笔者提出了一种基于面内模态的双腿式微型旋转超声电机。电机由定子和锥形转子组成,定子采用一圆环加双腿式结构,在定子双腿外侧贴有纵振和弯振压电陶瓷片,双腿内侧有4个连接耳。电机定转子之间采用硅胶环和E型卡环进行预压力施加和端部紧固。电机利用圆环内侧周向行进的面内行波驱动转子旋转。利用ANSYS有限元软件对定子进行仿真分析,研究结构对模态的影响,以确定夹持和压电陶瓷片的粘贴位置;并对定子模态频率进行灵敏度分析,指导定子结构尺寸(设计变量)的修改,以提高优化效率。制作多组样机并开展实验研究,机械输出特性的实验结果表明:该电机体积小,最大宽度仅为12 mm;结构紧凑,总质量为6.9 g,易于与其他驱动装置连接;最大空载转速为338 r/min,最大输出扭矩为1.44 mN·m。
英文摘要:
      Structures of existing rotary ultrasonic motors are mostly cylindrical, and pre-pressure is mostly applied by the spring and the nut, which makes the axial length of the motor longer, and is not conducive to connecting with other driving devices. Aiming at the problem, a double-legged micro-rotary ultrasonic motor based on in-plane mode is proposed. The motor consists of a stator and a conical rotor. The stator adopts a circular ring and a double-legged structure. The longitudinal and bending vibration piezoelectric ceramics are attached on the outer side of the legs, and four connecting ears are arranged inside the legs. Silicone rings and an E-type clasp are used between the stator and rotor for preloading and end tightening. The rotor is driven by in-plane traveling waves which travel circumferentially inside the ring of the stator. The stator is simulated with finite element analysis (FEA) software ANSYS, the clamping position and the placement of piezoelectric ceramics in a stator can be determined by studying the influence of the structure on the modal. Sensitivity analysis of the stator modal frequency can be used to guide the modification of the stator structure size (design variables) and improve the optimization efficiency. Three types of prototypes are fabricated and experimentally investigated. Experimental results of mechanical output performance indicate that the motor has a small size with a maximum width of 12 mm, a compact structure and a total weight of 6.9 g. Also, it is easy to connect with other driving devices. The maximum no-load speed is 338 r/min, and the maximum output torque is 1.44 mN·m.
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