圓環形壓電振子的理論與實驗研究

王笑竹 張健

摘?要：運用ANSYS軟件對圓環形壓電振子進行模態分析，分析了圓環外徑、內徑及內外徑差對彎曲模態的影響。結果表明，當內外徑數值比為0.8時，圓環形壓電振子具有理想的振型。對圓環形振子進行了實驗測試，實驗結果與模態分析結構大致相同。

關鍵詞：模態分析;圓環形;內外徑;實驗測試

中圖分類號：TB535

Theoretical?and?experimental?studies?on?circular?piezoelectric?vibrators

Wang?Xiaozhu?Zhang?jian*

Yingkou?Institute?of?Technology?LiaoNingYingkou?115014

Abstract：Using?ANSYS?software?to?conduct?modal?analysis?of?circular?piezoelectric?vibrator，analyzes?the?circle?diameter，inner?diameter?and?inner?diameter?difference?of?the?influence?of?the?bending?mode.The?results?show?that，when?the?ratio?of?inner?to?outer?diameter?is?0.8，the?circular?piezoelectric?vibrator?has?an?ideal?mode?shape.The?circular?ring?oscillator?has?been?tested?experimentally，the?experimental?results?are?in?good?agreement?with?the?modal?analysis?structure.

Keywords：Modal?analysis;Circular?ring;Inside?and?outside?diameter;Experimental?test

壓電振子是超聲電機、超聲輸送等壓電驅動系統的核心元件[1，2]，其中壓電振子的動態設計、精密加工以及后續的調試工作[3，4]，決定了超聲電機、超聲輸送等驅動系統的運行質量。本文針對軸向長齒環形振子的內外徑設計以及振子面外彎曲振型的均勻一致性問題，進行數值模擬，給出二者的關聯性分析。

1?振子結構

將振子結構設計成圓環形狀，為在ANSYS中研究該振子，在軟件中建立該模型，如圖1所示。在圓環振子端面上設計有凸起的梳狀齒，其目的是當振子振動時增大振子在Y方向的振幅。本文研究的振子經前期分析計算其材料已經選擇為黃銅，陶瓷片的材料為PZT81系列晶片。圓環形振子的外徑小于等于100毫米，齒數為90，齒寬為3.49°，槽寬0.51°，振子厚為3毫米，凸齒厚為3毫米，圓環形振子結構的主要參數列于表1中，根據前期工作，本文選擇工作模態為彎曲振動11階模態。

為在ANSYS中對該振子進行模態分析研究振子11階彎曲模態，首先建立改模型，對模型施加約束并進行網格劃分，圓環振子在X、Y方向固定，Z方向自由，模態分析結果如圖2所示，現在需要調整外徑內徑尺寸，找出圓環形振子在11階彎曲模態情況下兩個頻率差為零的兩個模態，內外徑尺寸差越大，作為輸送振子時輸送面積就越大，但數值越大就會影響其變形，半徑差小，輸送面積小，不利于傳送物料。

2?圓環形振子直徑尺寸對彎曲模態的影響

依據前期研究對圓環形振子的研究大部分集中在振子厚度、凸齒厚度、凸齒個數等參數的研究。本文主要研究振子外徑、內徑、內外徑數值差對圓環形振子模態的影響，分析模態一致性的問題。

為了分析外徑、內徑、內外徑數值差對圓環形振子模態的影響，將圓環形振子結構的其他參數不改變，分析振子在彎曲模態11階下當內徑尺寸為80mm，外徑尺寸分別為100mm、90mm，以及當外徑尺寸為100mm，內徑尺寸分別為90mm、85mm時，圓環形振子模態的變化。進行模態分析時主要考察兩方面內容，一是變形是否有突變，二是振子凸齒在Z方向的振幅。

圖3（a）～（h）給出了在11階彎曲模態下直徑尺寸不同時圓環形振子的振幅位移圖。從圖中可以看出當外徑尺寸為100mm、內徑尺寸為80mm時，振子的模態最好，此時振子的波峰和波谷位移變化一致，且振幅最大，此時內外徑尺寸比為0.8。而其余尺寸條件下，振子的模態及振幅不好，不符合設計要求。

針對內外徑尺寸比為0.8的數值，在ANSYS軟件內又模擬了尺寸為200mm、內徑尺寸為160mm的振子，模態結果如圖4所示，從圖中可以看出模態結果良好。

3?實驗研究

為驗證圓環形振子振幅分布曲線圖，加工了與表1結構參數相同的實物，如圖5所示。在振子齒上進行數值采集，實驗結果顯示振子實際振幅曲線圖（圖6）與有限元模態分析結果大致相同。

4?結論

（1）圓環形振子的內徑、外徑及內外徑差對彎曲模態的頻率影響較大;（2）當內外徑尺寸比為0.8時，圓環振子的彎曲模態復合要求且振幅最大，為以后設計該類圓環形振子提供了設計依據。

參考文獻：

[1]趙淳生.超聲電機技術與應用[M].北京：科學出版社，2007.

[2]胡敏強，金龍，顧菊平.超聲波電機原理與設計[M].北京：科學出版社，2005.

[3]王笑竹，張健.大型環狀壓電振子的理論與實驗研究[J].常熟理工學院學報（自然科學），2015，29（4）：8387.

[4]李靜.旋轉型駐波超聲電機的理論與實驗研究[D].遼寧：遼寧工業大學，2008.

基金項目：2020年度遼寧省自然科學基金區域創新聯合基金（2020YKLH28）;遼寧省自然科學基金指導計劃（2018?0550960）;遼寧省教育廳科學研究經費項目（L2019014）;營口市企業博士雙創計劃項目（QB201907）

作者簡介：王笑竹（1982—?），女，遼寧營口人，副教授，研究方向：從事超聲電機與機械設計方向的研究。

*通訊作者：張健（1981—?），男，遼寧營口人，副教授，研究方向：電力電子與電力傳動，從事電力電子與電力傳動、電機控制等方向的研究。