东莞环球电机YE2丨环梁式弹簧定子超声电机设计

环梁式弹簧定子超声电机利用弯曲行波代替兰姆波作为电机的驱动行波。不同于采用兰姆波的弹簧定子电机，环梁式弹簧定子超声电机的定子与波导组成封闭环状结构，不需要行波吸收装置便可在定子中产生单向纯行波，振动能量的利用率大幅提高，而且可解决采用兰姆波驱动的弹簧定子超声电机存在的多模式复合、理论分析复杂、波导过长等缺点。本文将基于伯努利-欧拉梁振动方程推导环梁式弹簧定子结构参数的计算公式，并通过对具体模型的仿真分析验证结构参数计算的合理性，最后利用瞬态分析对环梁截面尺寸与电压激励频率对行波与椭圆轨迹质量的影响进行仿真分析。
电机主要由弹簧定子、圆柱转子、波导和片状压电陶瓷四部分构成。转子为一段不锈钢圆棒；弹簧定子是用方形截面的不锈钢金属丝按圆柱螺旋曲线绕制而成；金属丝中剩余部分作为波导，波导的首尾端通过焊接相连，波导与弹簧定子共同组成环梁形状。两片压电陶瓷按一定的空间位置粘接在波导上，压电陶瓷的材料为PZT-4。环球电机驱动部分仅有弹簧定子与圆柱转子，结构简单紧凑。此外，由于弯曲波的振幅随传播距离的增大而减弱，故环梁式弹簧定子超声电机波导较短，而且波导与弹簧定子形成封闭环结构，振动能量的利用率大幅提髙。
环梁式弹簧定子中弹簧与波导为同一段不锈钢丝制成，所以只要确定了不锈钢丝的总体尺寸和弹簧的螺旋长度就能完全确定环梁式弹簧定子的结构。为减弱弹簧与波导的连接部位对行波传播产生的影响，此部分采用弧形柱体平滑过渡，如图5所示。由于这两段弧形柱体尺寸很小，故理论计算时将其作为弹簧的一部分考虑。环梁式弹簧定子超声电机的驱动原理与单轨型直线电机相似，故东莞电机厂参考直线型超声电机定子尺寸的计算方法完成环梁式弹簧定子的尺寸设计。

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