一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法技术

本发明专利技术公开了一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法，首先确定超声电机定子和转子的几何结构、材料参数并构建对应的有限元模型，之后根据实际工况对有限元模型设定载荷边界条件、约束边界条件和接触边界条件，并对瞬态分析设置相应的载荷步，最后进行有限元求解并输出超声电机定子的振幅

【技术实现步骤摘要】
一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法


[0001]本专利技术涉及超声电机和有限元仿真领域，尤其涉及一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法。

技术介绍

[0002]航天是当今世界最具挑战性并且具备广泛带动性的高
之一。航天器是空间应用的载体，各类航天器上广泛配置多种高精度长寿命空间机构，如激光指向机构(CPA)、控制力矩陀螺(CMG)、激光扫描三维成像机构(LVDS)和空间机械臂、天线驱动机构(GDA)等，以满足不同应用对精确控制、精准观测、精稳操作的需求。实现空间机构轻量化及快捷精稳运动性能已成为支撑航天强国建设亟待提升的基础能力。电机是各类空间机构运动的驱动源，对空间机构的综合性能起着至关重要的作用。与空间机构常用的电磁电机通过电磁力传动不同，超声电机通过压电陶瓷激励定子产生可控的微观振动，并通过定转子摩擦转化为转子宏观转动。基于该工作原理，超声电机在空间机构严格的体积、重量约束范围内，可以充分体现出重量轻、扭矩大、响应快、自锁定等优势，应用于空间机构可更好地实现系统轻量化并显著提升响应特性。因此，为了满足空间机构高精度、长寿命、超低速、大速比、往复摆动的典型工况需求，尤其是空间机构的超声电机的往复摆动都是微幅摆动的工况，每一次的工作的时间都很短暂，这样研究超声电机的瞬态响应性能就很有必要。
[0003]目前并没有可靠且有效的超声电机转速预测方法，本专利技术所提出的基于有限元仿真分析的超声电机转速预测方法能够在电机设计之初提供指导与参考，为超声电机的整个设计阶段节约各项成本并有效满足设计指标，具有重大意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法。
[0005]为解决上述技术问题所采用的技术方案为：
[0006]一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1)，确定超声电机中定子和转子的几何结构、材料参数；
[0008]步骤2)，划分网格，建立超声电机的有限元仿真模型；
[0009]步骤3)，对超声电机有限元仿真模型设定约束边界条件和接触边界条件；
[0010]步骤4)，对超声电机有限元仿真模型中的压电材料部分进行材料属性设置，确定压电常数、介电常数；
[0011]步骤5)，对超声电机进行模态分析，确定超声电机定子工作模态频率大小；
[0012]步骤6)，建立瞬态动力学仿真分析模块，根据超声电机定子工作模态频率设置每个载荷步的计算时间；
[0013]步骤7)，在载荷步设置中定义子步；
[0014]步骤8)，设置电压载荷，以载荷步为基准为每个周期内的载荷步分别设置电压，进
行周期循环，得到超声电机转子的转动角度随时间的变化曲线；
[0015]步骤9)，在变化曲线的斜率开始保持不变后，转子处于稳定工作的状态，此时根据其单位时间内的转动角度计算得到超声电机的稳态转速。
[0016]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0017]结合压电驱动模块，使用有限元仿真分析技术，计算双转子超声电机的稳定状态下的转速，方法简单使用可靠；本专利技术对旋转型超声电机的转速预测计算具有普适性，同时也可以对结构优化设计、实验结果预测提供参考和指导，有较大的实用价值。
附图说明
[0018]图1本专利技术的方法流程图；
[0019]图2本专利技术实施例中样机结构示意图；
[0020]图3本专利技术实施例中双转子超声电机有限元分析网格模型和边界条件设置示意图；
[0021]图4本专利技术实施例中双转子超声电机定子的模态振型；
[0022]图5本专利技术实施例中双转子超声电机压电陶瓷极化方向及电压施加位置示意图；
[0023]图6本专利技术实施例中双转子超声电机转子转速预测示意图；
[0024]具体实施方法：
[0025]下面将结合附图和实施例进一步对本专利技术做详细阐述。
[0026]如图1所示，本专利技术公开了一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法，下面以结构如图2所示的双转子超声电机为例进行说明，该双转子超声电机包括转子、预压缩弹簧和定子，其各种材料参数如下表所示。
[0027][0028]步骤1)，确定超声电机中定子和转子的几何结构、材料参数；
[0029]步骤2)，划分网格，建立超声电机的有限元仿真模型；
[0030]将建立好的仿真分析模型导入有限仿真分析软件(ANSYS Workbench)中。
[0031]对模型中的零部件定义材料，建立坐标系，对压电元件设置极化方向，如图5所示。
[0032]根据推进器的尺寸大小确定网格尺寸，网格扭曲度应尽量小于0.5，网格正交质量应尽量大于0.8。网格图如图3所示；
[0033]步骤3)，对超声电机有限元仿真模型设定约束边界条件和接触边界条件；
[0034]边界条件的设置应该与实际情况相一致。本实施例中超声电机定子为自由状态，
转子被设置为一端固定的预压缩弹簧的另一端链接；
[0035]接触边界条件包括预压缩弹簧的刚度和压缩量，转子与定子之间为摩擦接触并设置摩擦系数；
[0036]步骤4)，对超声电机有限元仿真模型中的压电材料部分进行材料属性设置，确定压电常数、介电常数；
[0037]步骤5)，对超声电机进行模态分析，确定超声电机定子工作模态频率大小；
[0038]步骤6)，建立瞬态动力学仿真分析模块，根据超声电机定子工作模态频率设置每个载荷步的计算时间；
[0039]建立瞬态动力学仿真分析模块，并根据需要设置相应的载荷步的计算时间。根据模态分析所得谐振频率f来确定每个载荷步的时间，其模态振型如图4所示。一个周期时间为1/f，将一个周期细分为8个载荷不，则每个载荷步的计算时间为(1/f)/8s；
[0040]步骤7)，在载荷步设置中定义子步，在一个周期内总计算子步数应尽量大于等于20步。本实施例中设置子步数为5，即将每个载荷步又分为5个子步，每个周期内的计算步数为40 步；
[0041]步骤8)，设置电压载荷，以载荷步为基准为每个周期内的载荷步分别设置电压，进行周期循环，得到超声电机转子的转动角度随时间的变化曲线；
[0042]在结构瞬态模块中为压电材料的本构参数进行赋值；
[0043]在结构瞬态分析为载荷步添加电压载荷，以载荷步为基准为每个周期内的8个载荷步分别设置电压并周期循环，其中在一周期内按时间依次赋予峰峰值为v的正弦电压载荷。
[0044]步骤9)，读取仿真计算得到超声电机转子的转动角度随时间的变化曲线，如图6所示，在变化曲线的斜率开始保持不变后，转子处于稳定工作的状态，此时根据其单位时间内的转动角度计算得到超声电机的稳态转速。
[0045]本
技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1），确定超声电机中定子和转子的几何结构、材料参数；步骤2），划分网格，建立超声电机的有限元仿真模型；步骤3），对超声电机有限元仿真模型设定约束边界条件和接触边界条件；步骤4），对超声电机有限元仿真模型中的压电材料部分进行材料属性设置，确定压电常数、介电常数；步骤5），对超声电机进行模态分析，确定超声电机定子工作模态频...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭升起，刘瑞，王亮，金家楣，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：