核心提示：　　1原理演示仿真軟件主要功能模塊該部分的主要作用是以動(dòng)畫(huà)的方式形象地演示超聲波電動(dòng)機(jī)的工作原理。主要有定子內(nèi)的行波演示、定子齒表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生原理演示以及超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力輸出機(jī)理演

　　1原理演示仿真軟件主要功能模塊該部分的主要作用是以動(dòng)畫(huà)的方式形象地演示超聲波電動(dòng)機(jī)的工作原理。主要有定子內(nèi)的行波演示、定子齒表面質(zhì)點(diǎn)的橢圓運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生原理演示以及超聲波電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)和動(dòng)力輸出機(jī)理演示，以便對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的工作原理有一個(gè)直觀的了解。另外，還可仿真演示出各種非理想情況下（如兩相振幅不等、或相位差不等于9tb等）產(chǎn)生的行波和橢圓運(yùn)動(dòng)的畸變。

　　2參數(shù)設(shè)定資金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50235010）該部分的主要作用是輸入超聲波電動(dòng)機(jī)的各類(lèi)參數(shù)A行波超聲波電動(dòng)機(jī)性能分析及其優(yōu)化設(shè)計(jì)值（主要是定子、摩擦層和壓電陶瓷的材料特性參數(shù)、幾何尺寸參數(shù)以及預(yù)壓力、模態(tài)階次等其它參數(shù)），以便隨后進(jìn)行超聲波電動(dòng)機(jī)的性能預(yù)測(cè)或仿真參數(shù)分析。

　　2.3性能預(yù)測(cè)該部分依據(jù)所給定的超聲波電動(dòng)機(jī)各類(lèi)參數(shù)值，可以計(jì)算出超聲波電動(dòng)機(jī)在給定幅度的輸入交變電壓激振下的瞬態(tài)響應(yīng)（如起動(dòng)關(guān)斷特性，超調(diào)量及穩(wěn)定幅值等等），還可計(jì)算出在某一給定的預(yù)壓力下，不同負(fù)載力矩所對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，即超聲波電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性曲線。本模塊的主要功能就是預(yù)測(cè)出處于設(shè)計(jì)階段的超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出特性，以便核對(duì)設(shè)計(jì)原形是否能達(dá)到預(yù)期性能。

　　2.4參數(shù)分析為了評(píng)價(jià)超聲波電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性，我們提出了如下指標(biāo)：定子各階彎曲振動(dòng)的固有頻率；對(duì)應(yīng)于各階彎曲模態(tài)的模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度；基于壓電陶瓷激振的定子的響應(yīng)位移、垂向振動(dòng)速度幅值及相應(yīng)的轉(zhuǎn)子的切向轉(zhuǎn)速等。

　　基于壓電陶瓷激振的力系數(shù)及機(jī)電耦合系數(shù)；壓電陶瓷/彈性體復(fù)合定子振動(dòng)體等效電路中的等效電容及等效電感。

　　壓電陶瓷對(duì)應(yīng)于各階彎曲模態(tài)的夾持電容。

　　這些動(dòng)力特性描述指標(biāo)既包含機(jī)械特性也包含對(duì)應(yīng)的電學(xué)特性，比較集中地反映了超聲波電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性。尤其是電學(xué)特性指標(biāo)，已往只有在超聲波電動(dòng)機(jī)制造完成后，利用等效電路原理測(cè)量后得到，而本文可以直接計(jì)算得到，提供了超聲波電動(dòng)機(jī)的可預(yù)測(cè)性，并能很有效地通過(guò)。為利用該軟件對(duì)定子動(dòng)力特性指標(biāo)進(jìn)行變模態(tài)階次分析的仿真結(jié)果示例。

　　3行波超聲波電動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)原則超聲波電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)涉及到眾多參數(shù)的確定，各參數(shù)對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力學(xué)指標(biāo)或多或少地都有影響，我們?cè)趯?duì)超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和參數(shù)選定時(shí)本著如下的原則：超聲波電動(dòng)機(jī)性能預(yù)測(cè)及參數(shù)分析程序流程定子的動(dòng)力特性指標(biāo)的參數(shù)分析示例圖有其它的一些附加條件，諸如最高轉(zhuǎn)速、堵轉(zhuǎn)力矩、對(duì)外負(fù)載變化的敏感程度（負(fù)載特性的軟硬）等等，甚至還有對(duì)尺寸（外徑、厚度）、重量等的限定，在某些特殊場(chǎng)合下如航空航天、精密儀表、微機(jī)電系統(tǒng)等，有時(shí)這些會(huì)變成必須嚴(yán)格遵守的限定條件。因此，在超聲波電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)之初，應(yīng)首先明確最為重點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求。

　　本文認(rèn)為，超聲波電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩是兩個(gè)重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，根據(jù)超聲波電動(dòng)機(jī)負(fù)載特性曲線的特點(diǎn)，確定了此兩指標(biāo)后，超聲波電動(dòng)機(jī)的負(fù)載特性就大致確定了。另外一個(gè)設(shè)計(jì)指標(biāo)是定子的直徑。定子直徑與空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩都有一定的關(guān)系，確定了空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩后，定子的直徑也就大體有了一個(gè)范圍。

　　為了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化，一般要預(yù)先選定一個(gè)比較規(guī)整的值。

　　確定與設(shè)計(jì)指標(biāo)密切相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)與空載轉(zhuǎn)速直接相關(guān)的參數(shù)主要有超聲波電動(dòng)機(jī)的工作模態(tài)（波數(shù)、頻率）、振幅、定子的直徑、齒高等，而與堵轉(zhuǎn)力矩密切相關(guān)的是摩擦材料、摩擦系數(shù)和預(yù)壓力。

　　超聲波電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)要求一般是其額定輸出功率，即在一定的轉(zhuǎn)速下輸出一定的扭矩。除此之外，往往還超聲波電動(dòng)機(jī)的總體優(yōu)化目標(biāo)當(dāng)然是在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下達(dá)到最高的效率。但更應(yīng)注意的是要明確各功能模塊的局部?jī)?yōu)化目標(biāo)，并盡量考慮到各模塊之間的相互影響。在超聲波電動(dòng)機(jī)的整體數(shù)學(xué)模型還不完善的情況下，這顯得尤其重要。

　　初步選定參數(shù)范圍，進(jìn)行變參數(shù)分析，分析確定優(yōu)化參數(shù)，并依據(jù)仿真模型進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。

　　調(diào)整參數(shù)，得到最優(yōu)解。

　　根據(jù)超聲波電動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的模塊劃分，為使超聲波電動(dòng)機(jī)獲得良好的動(dòng)力特性，主要是對(duì)其定子諧振模塊和摩擦驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即對(duì)定子和摩擦界面進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　超聲波電動(dòng)機(jī)的定子的主要作用是在壓電陶瓷誘發(fā)應(yīng)變的激勵(lì)下產(chǎn)生諧振，從而有效地將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，并以振動(dòng)能的形式保存。因而定子優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，在參數(shù)可供選擇的范圍內(nèi)如何保證機(jī)電耦合能量最大程度的轉(zhuǎn)換，為此應(yīng)當(dāng)從定子的模態(tài)、材質(zhì)、尺寸大小以及壓電陶瓷等幾個(gè)方面進(jìn)行了考慮。摩擦界面的設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)方面，一是摩擦材料的選擇，二是摩擦層的尺寸和預(yù)壓力的選定。

　　本文將定子振動(dòng)的阻尼損耗、機(jī)電耦合系數(shù)和和振速（隱含著振幅和預(yù)壓力）作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，三者結(jié)合起來(lái)作為定子優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)；而將摩擦界面的功率損耗作為摩擦界面優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)。主要是為了在滿足使用要求的情況下獲得較好的效率和摩擦驅(qū)動(dòng)性能。

　　4行波超聲波電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)例及性能分析所示是南航超聲波電動(dòng)機(jī)研究中心利用本軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的一種應(yīng)用于氣閥的超聲波電動(dòng)機(jī)的定子及其工作模態(tài)，其各項(xiàng)參數(shù)如下表所示。

　　545型氣閥超聲波電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)及工作模態(tài)545型氣閥超聲波電動(dòng)機(jī)定子的結(jié)構(gòu)參數(shù)表外徑工作模態(tài)內(nèi)徑工作頻率定子基底厚定子材質(zhì)鋼齒高壓電陶瓷壓電陶瓷厚該電機(jī)在不同預(yù)壓力下的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)結(jié)果如所示，為超聲波電動(dòng)機(jī)摩擦界面在不同預(yù)壓力下的輸出功率、滑動(dòng)損失功率、摩擦界面效率的變化曲線。由本設(shè)計(jì)程序得到的優(yōu)化設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)分析的圖表很多，限于篇幅，在此不一一列舉，詳見(jiàn)文在對(duì)超聲波電動(dòng)機(jī)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整設(shè)計(jì)時(shí)分析發(fā)現(xiàn)，選擇B7振型比較恰當(dāng)。該工作振型的頻率為36.幅（在不加預(yù)壓力時(shí)）為2Lm，機(jī)電耦合系數(shù)以及各評(píng)價(jià)指標(biāo)都比較高。通過(guò)對(duì)其輸出特性的分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)壓力可選擇為100N，此時(shí)堵轉(zhuǎn)力矩為0. 16Nm，空載轉(zhuǎn)速為140r/min，對(duì)應(yīng)的間距D比零稍小，能保證定轉(zhuǎn)子的良好接觸而又不造成較大的摩擦損失，工作點(diǎn)可選擇在負(fù)載扭矩0.1Nm、轉(zhuǎn)速90r/min，此時(shí)摩擦界面的傳遞效率可545型氣閥超聲波電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速和堵轉(zhuǎn)力矩隨預(yù)壓力的變化情況超聲波電動(dòng)機(jī)摩擦界面在不同預(yù)壓力下的輸出特性5結(jié)論編制了超聲波電動(dòng)機(jī)性能仿真分析軟件，可以預(yù)測(cè)出處于設(shè)計(jì)階段的超聲波電動(dòng)機(jī)的輸出特性。

　　定義了超聲波電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性描述指標(biāo)，并對(duì)之做了變參數(shù)仿真分析，可計(jì)算出各指標(biāo)隨參數(shù)變化的趨勢(shì)和靈敏度。

　　提出了超聲波電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)理論性原則，依據(jù)動(dòng)力特性仿真分析結(jié)果，給出了定子動(dòng)力特性和摩擦界面?zhèn)鬏斕匦詢(xún)?yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)選提出了建設(shè)性的意見(jiàn)。

　　超聲波電動(dòng)機(jī)動(dòng)力仿真研究對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)起到了很好的指導(dǎo)作用，據(jù)此開(kāi)發(fā)的超聲波電動(dòng)機(jī)性能仿真分析軟件在旋轉(zhuǎn)行波性超聲波電動(dòng)機(jī)的研制開(kāi)發(fā)中發(fā)揮了輔助分析、設(shè)計(jì)作用，其效果十分顯著。