[发明专利]一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法

说明书

本发明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‑时间响应曲线和转子的转速‑时间响应曲线，从而得到电机稳定状态下的转速。本发明的方法简单实用，可以较精确地确定双转子超声电机的稳态转速，从而为结构优化设计、实验结果预测提供参考和指导，有较大的实用价值。

技术领域

本发明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。

背景技术

航天是当今世界最具挑战性并且具备广泛带动性的高技术领域之一。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。

目前并没有可靠且有效的超声电机转速预测方法，本发明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。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种单模态驱动的双转子超声电机的转速预测方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

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：

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率大小；

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；

步骤7)，在载荷步设置中定义子步；

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；

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。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

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；本发明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