[发明专利]基于有限元仿真分析的超声电机的最大扭矩计算方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元仿真分析的超声电机的最大扭矩计算方法，利用ANSYS Workbench有限元分析软件，在结构瞬态分析模块中结合压电模块计算行波超声电机定转子随时间的变化情况，通过加载与电机旋转方向相反并逐渐增大的扭矩，在电机反转的时间确定行波旋转超声电机的最大扭矩。本发明的方法简单，可以初步确定行波旋转超声电机的最大扭矩，为后期优化结构、实验奠定基础，有很好的实用价值。

技术领域

本发明设计行波旋转超声电机，尤其设计一种基于有限元仿真分析的超声电机的最大扭矩计算方法。

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,我国也在加快航天强国建设步伐，不断拓展空间应用深度和广度。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我国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，对于空间机构而言，超声电机的载荷能力是其最重要的能力，这样研究超声电机的最大扭矩就很有必要了。

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，提供一种基于有限元仿真分析的超声电机的最大扭矩计算方法。

为解决上述技术问题所采用的技术方案为：

基于有限元仿真分析的超声电机的最大扭矩计算方法，包括如下步骤：

步骤1)，确定超声电机定子和转子的几何结构、材料定义；

步骤2)，划分网格，建立超声电机的有限元仿真模型；

步骤3)，根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)，对超声电机中的压电材料部分进行材料属性设置，确定其极化方向、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)，加载扭矩，以载荷步为基准，在0.005s前不施加相反扭矩，待电机进入稳速后开始施加逐渐增大至1Nm的扭矩，得到相反扭矩曲线；

步骤10)，根据超声电机转子的转动角度随时间的变化曲线进行判断，在该曲线斜率为负的时刻超声电机处于启动工作的状态，在该曲线斜率开始转为正的时候是电子最大扭矩；

步骤11)，在电机转子的转动角度随时间的变化曲线的波谷处得到电机被施加相反扭矩反转的时间，根据反转时间在相反扭矩曲线上确定扭矩，即电机的最大扭矩。

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：