摘要：研究了旋轉行波超聲波電機（rtwusm）定子設計參數：定子齒高、齒寬與槽寬比、定子內外圈直徑、彈性支撐位置與定子所受預壓力對超聲波電機模態頻率的影響，采用了有限元法與正交設計法研究了定子設計參數之間的交互作用，得出了各設計參數間的相互影響程度，得出定子齒高以及定子齒高與定子內圈直徑的交互作用對于模態混疊的改善有很大作用，而預壓力增大時對模態混疊無明顯改善。該結論對超聲波電機的優化設計，模態混疊現象的改善有一定價值。

關鍵詞：超聲波電機；定子；設計參數；交互作用；模態混疊

中圖分類號：tm359. 9    文獻標志碼：a    文章編號：1001。6848( 2010) 05-0022-05

    環形旋轉行波型超聲波電機是一種利用壓電陶瓷逆壓電效應使電機定子產生超聲振動其振動頻率超過20 khz，并將這種振動通過摩擦耦合來驅動電機轉子旋轉的新型微電機。它作為一種響應速度快、低速大轉矩、轉動噪聲低的直接驅動電機被廣泛應用于航空航天、精密儀器和醫療器械等領域，其性能的分析與設計已經成為當前機電控制、設計領域的熱點。

  王光慶研究了rtwusm在運行時，預壓力對電機定子模態頻率的影響，以及噪聲特性和模態混疊現象的抑制情況。華僑大學的孫學亮，洪肖任等人將有限元法與實驗相結合，研究了rtwusm定子從無齒到有齒變化時，其固有頻率和振動的變化。新加坡國立大學的采用有限元法研究了rtwusm定子結構對電機的沖擊，并對電機結構進行了優化。

    以上對rtwusm定子結構的研究主要側重于單個設計參數的改變對電機模態頻率的影響，很少考慮各設計參數間的交互影響作用。本文主要是研究rtwusm定子的各設計參數間是否存在交互作用，其交互作用對電機的模態頻率的影響趨勢與強度如何，從而為電機的定子設計提供參考依據。

   環形旋轉行波型超聲波電機( rtwusm)其定子和轉子的結構如圖1所示。

   

    其中定子是由壓電陶瓷、膠粘劑和定子金屬體所構成，并通過沉頭孔和螺釘固定在電機外殼上。超聲波電機是基于高頻機械振動和摩擦驅動的機電一體化機構，其定子的振動狀態研究是超聲波電機分析中的技術難點之一。因此，rtwusm定子的設計在整個電機設計中占有重要地位，其主要設計參數有：定子齒高、齒寬與槽寬比、定子內外圈直徑、壓電陶瓷厚度、彈性支撐位置與定子所受預壓力。rtwusm定子結構圖，如圖2所示。

  

    圖2中a為定子固定在外殼基座的部分，b為振子彈性支持，c為定子金屬體有齒部分，d為黏結層，e為壓電陶瓷。rl和r2分別為定子的內徑和外徑，h為定子金屬體總高度，ht為定子齒高，hp為壓電陶瓷厚度，hc為彈性支撐位置。

    rtwusm的主要性能取決于定子的振動模態，所以定子的設計參數在整個設計中是至關重要的。本文主要研究：定子齒高、齒寬與槽寬比、定子內外國直徑、彈性支撐位置與定子所受預壓力這5項主要設計參數的重要程度與交互影響作用，麗將其他設計參數取為定值。

    rtwusm定子齒的作用是放大振動幅度，定子齒對電機的性能有很大影響，有齒情況下，電機的輸出功率要遠大于無齒的情況，對空載轉速也有很大提高。定子齒將定子金屬彈性體的彎曲振動有效地轉化為驅動電機轉子的切運動，因此，它的高度是一個重要的設計參數。定子齒太高或太低都會降低電機效率，通過三維有限元分析后得出齒高與其基底的厚度比為：

    齒的齒槽大小對rtwusm的轉速波動有影響，當齒寬與齒