圆环形压电振子的理论与实验研究

王笑竹 张健

摘 要：运用ANSYS软件对圆环形压电振子进行模态分析，分析了圆环外径、内径及内外径差对弯曲模态的影响。结果表明，当内外径数值比为0.8时，圆环形压电振子具有理想的振型。对圆环形振子进行了实验测试，实验结果与模态分析结构大致相同。

关键词：模态分析;圆环形;内外径;实验测试

中图分类号：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

壓电振子是超声电机、超声输送等压电驱动系统的核心元件[1，2]，其中压电振子的动态设计、精密加工以及后续的调试工作[3，4]，决定了超声电机、超声输送等驱动系统的运行质量。本文针对轴向长齿环形振子的内外径设计以及振子面外弯曲振型的均匀一致性问题，进行数值模拟，给出二者的关联性分析。

1 振子结构

将振子结构设计成圆环形状，为在ANSYS中研究该振子，在软件中建立该模型，如图1所示。在圆环振子端面上设计有凸起的梳状齿，其目的是当振子振动时增大振子在Y方向的振幅。本文研究的振子经前期分析计算其材料已经选择为黄铜，陶瓷片的材料为PZT81系列晶片。圆环形振子的外径小于等于100毫米，齿数为90，齿宽为3.49°，槽宽0.51°，振子厚为3毫米，凸齿厚为3毫米，圆环形振子结构的主要参数列于表1中，根据前期工作，本文选择工作模态为弯曲振动11阶模态。

为在ANSYS中对该振子进行模态分析研究振子11阶弯曲模态，首先建立改模型，对模型施加约束并进行网格划分，圆环振子在X、Y方向固定，Z方向自由，模态分析结果如图2所示，现在需要调整外径内径尺寸，找出圆环形振子在11阶弯曲模态情况下两个频率差为零的两个模态，内外径尺寸差越大，作为输送振子时输送面积就越大，但数值越大就会影响其变形，半径差小，输送面积小，不利于传送物料。

2 圆环形振子直径尺寸对弯曲模态的影响

依据前期研究对圆环形振子的研究大部分集中在振子厚度、凸齿厚度、凸齿个数等参数的研究。本文主要研究振子外径、内径、内外径数值差对圆环形振子模态的影响，分析模态一致性的问题。

为了分析外径、内径、内外径数值差对圆环形振子模态的影响，将圆环形振子结构的其他参数不改变，分析振子在弯曲模态11阶下当内径尺寸为80mm，外径尺寸分别为100mm、90mm，以及当外径尺寸为100mm，内径尺寸分别为90mm、85mm时，圆环形振子模态的变化。进行模态分析时主要考察两方面内容，一是变形是否有突变，二是振子凸齿在Z方向的振幅。

图3（a）～（h）给出了在11阶弯曲模态下直径尺寸不同时圆环形振子的振幅位移图。从图中可以看出当外径尺寸为100mm、内径尺寸为80mm时，振子的模态最好，此时振子的波峰和波谷位移变化一致，且振幅最大，此时内外径尺寸比为0.8。而其余尺寸条件下，振子的模态及振幅不好，不符合设计要求。

针对内外径尺寸比为0.8的数值，在ANSYS软件内又模拟了尺寸为200mm、内径尺寸为160mm的振子，模态结果如图4所示，从图中可以看出模态结果良好。

3 实验研究

为验证圆环形振子振幅分布曲线图，加工了与表1结构参数相同的实物，如图5所示。在振子齿上进行数值采集，实验结果显示振子实际振幅曲线图（图6）与有限元模态分析结果大致相同。

4 结论

（1）圆环形振子的内径、外径及内外径差对弯曲模态的频率影响较大;（2）当内外径尺寸比为0.8时，圆环振子的弯曲模态复合要求且振幅最大，为以后设计该类圆环形振子提供了设计依据。

参考文献：

[1]赵淳生.超声电机技术与应用[M].北京：科学出版社，2007.

[2]胡敏强，金龙，顾菊平.超声波电机原理与设计[M].北京：科学出版社，2005.

[3]王笑竹，张健.大型环状压电振子的理论与实验研究[J].常熟理工学院学报（自然科学），2015，29（4）：8387.

[4]李静.旋转型驻波超声电机的理论与实验研究[D].辽宁：辽宁工业大学，2008.

基金项目：2020年度辽宁省自然科学基金区域创新联合基金（2020YKLH28）;辽宁省自然科学基金指导计划（2018 0550960）;辽宁省教育厅科学研究经费项目（L2019014）;营口市企业博士双创计划项目（QB201907）

作者简介：王笑竹（1982— ），女，辽宁营口人，副教授，研究方向：从事超声电机与机械设计方向的研究。

*通讯作者：张健（1981— ），男，辽宁营口人，副教授，研究方向：电力电子与电力传动，从事电力电子与电力传动、电机控制等方向的研究。