CN114374337A - 考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法 - Google Patents

考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，包括：获取环形行波型超声波电机的基本参数和定子齿的结构参数，计算与转子转速N相对应的电机输出转矩T L；判断与转子转速N相对应的电机输出转矩T L的大小，若T L＞0，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩T L；若T L≤0，结束计算；根据计算过程中所有转子转速N及其相对应的电机输出转矩T L，确定环形行波型超声波电机的转矩转速特性。本发明考虑定子齿的结构参数，能够实现简单、有效的环形行波型超声波电机的转矩转速特性计算，能够在电机的设计分析阶段计算出环形行波型超声波电机的转矩转速特性。

Description

考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计 算方法
技术领域
本发明涉及考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，属于超声波电机技术领域。
背景技术
环形行波型超声波电机利用压电陶瓷的逆压电效应将高频交流电转换为金属弹性体的超声振动，然后通过接触摩擦将金属弹性体的超声振动转换为转子的旋转运动。超声波电机具有诸多优点，如低速大转矩、断电自锁、动态响应快等，在非连续运动领域、精密控制领域、智能机器人等领域具有广阔的应用前景。
转矩转速特性是超声波电机的重要性能之一。由于涉及到接触、摩擦等复杂的非线性问题，使得超声波电机的转矩转速特性计算困难。环形行波型超声波电机定子上一般设置有定子齿结构，以放大定子的切向振动。定子齿结构使得定转子的接触和摩擦问题更为复杂，加大了准确计算电机转矩转速特性的难度。简化的做法是不计定子齿的结构，直接将定子表面看成连续的，但是这一简化做法也往往会带来较大的误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，考虑定子齿的结构参数，能够实现简单、有效的环形行波型超声波电机的转矩转速特性计算，能够在电机的设计分析阶段计算出环形行波型超声波电机的转矩转速特性。为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
第一方面，本发明提供了一种考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，包括：
获取环形行波型超声波电机的基本参数和定子齿的结构参数；
基于环形行波型超声波电机的基本参数、定子齿的结构参数和预设的转子转速N的值，计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；
判断与转子转速N相对应的电机输出转矩TL的大小，若TL＞0，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；若TL≤0，结束计算；
根据计算过程中所有转子转速N及其相对应的电机输出转矩TL，确定环形行波型超声波电机的转矩转速特性。
结合第一方面，进一步地，所述环形行波型超声波电机的基本参数，包括：摩擦材料的弹性模量E、摩擦系数μ、定子振幅A、定子振动频率f、定子工作模态的波峰数n、定转子间的预压力Fn、定转子平均接触半径r、定转子径向接触宽度b、摩擦材料厚度h、定子齿表面到中性面的距离a。
结合第一方面，进一步地，所述定子齿的结构参数，包括：定子齿的数量nt、单个定子齿所占的周向角度θt。
结合第一方面，进一步地，所述计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL，通过下式计算：
Figure BDA0003431709680000021
式(1)中，θt为单个定子齿所占的周向角度，nt为定子齿的数量；t为时间，t1为接触开始时间，t2接触结束时间，teq1为第一等速时间点，teq2为第二等速时间点。
结合第一方面，进一步地，接触开始时间t1和接触结束时间t2，通过下式计算：
Figure BDA0003431709680000031
Figure BDA0003431709680000032
其中，θt为单个定子齿所占的周向角度，nt为定子齿的数量，f为定子振动频率，通过式(2)得到接触开始时间t1，通过式(3)得到接触开始时间t1的范围；
Figure BDA0003431709680000033
通过式(4)得到接触结束时间t2。
结合第一方面，进一步地，第一等速时间点teq1和第二等速时间点teq2，通过下式计算：
Figure BDA0003431709680000034
判断式(5)计算得到的第一等速时间点teq1与接触开始时间t1，若teq1＜t1，取teq1＝t1；若teq1≥t 1，输出计算得到的第一等速时间点teq1；
Figure BDA0003431709680000035
式(6)中，f为定子振动频率，teq1为第一等速时间点，通过式(6)计算得到第二等速时间点teq2。
结合第一方面，进一步地，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL包括：
将转子转速N的值加上步进常数Q，得到重置后的转子转速N的值；
根据环形行波型超声波电机的基本参数、定子齿的结构参数和重置后的转子转速N的值，计算与重置后的转子转速N相对应的电机输出转矩TL。
结合第一方面，可选地，步进常数Q的取值范围为0＜Q≤10。
第二方面，本发明提供了考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算系统，包括：
获取模块：用于获取环形行波型超声波电机的基本参数和定子齿的结构参数；
计算模块：用于基于环形行波型超声波电机的基本参数、定子齿的结构参数和预设的转子转速N的值，计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；
判断模块：用于判断与转子转速N相对应的电机输出转矩TL的大小，若TL＞0，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；若TL≤0，结束计算；
转矩转速特性确认模块：用于根据计算过程中所有转子转速N及其相对应的电机输出转矩TL，确定环形行波型超声波电机的转矩转速特性。
第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据第一方面所述方法的步骤。
第四方面，本发明提供了计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现第一方面所述方法的步骤。
与现有技术相比，本发明实施例所提供的考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法所达到的有益效果包括：
本发明获取环形行波型超声波电机的基本参数和定子齿的结构参数，基于环形行波型超声波电机的基本参数、定子齿的结构参数和预设的转子转速N的值，计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；本发明考虑了定子齿的结构参数；
本发明判断与转子转速N相对应的电机输出转矩TL的大小，若TL＞0，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；若TL≤0，结束计算；根据计算过程中所有转子转速N及其相对应的电机输出转矩TL，确定环形行波型超声波电机的转矩转速特性；本发明计算过程简单，计算效率高，能够在电机的设计分析阶段有效地计算环形行波型超声波电机的转矩转速特性；
本发明基于环形行波型超声波电机的基本参数和定子齿的结构参数进行计算，适应性强，能够计算不同尺寸的环形行波型超声波电机转矩转速特性；本发明同时能够用于环形行波型超声波电机的结构设计和优化分析，以提高电机的转矩转速性能。
附图说明
图1是本发明实施例一中考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法的流程图；
图2是本发明实施例二中考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性计算曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1所示，一种考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，包括：
步骤1：获取环形行波型超声波电机的基本参数。
环形行波型超声波电机的基本参数，包括：摩擦材料的弹性模量E、摩擦系数μ、定子振幅A、定子振动频率f、定子工作模态的波峰数n、定转子间的预压力Fn、定转子平均接触半径r、定转子径向接触宽度b、摩擦材料厚度h、定子齿表面到中性面的距离a。
步骤2：获取定子齿的结构参数。
定子齿的结构参数，包括：定子齿的数量nt、单个定子齿所占的周向角度θt。
步骤3：计算接触开始时间t1，通过下式计算：
Figure BDA0003431709680000061
计算得到的接触开始时间t1落在以下范围内：
Figure BDA0003431709680000062
式(2)中，f为定子振动频率。
步骤4：计算接触结束时间t2，通过下式计算：
Figure BDA0003431709680000063
式(3)中，f为定子振动频率，t1为接触开始时间。
步骤5：设转子转速N的初始值为0。
步骤6：计算第一等速时间点teq1，通过下式计算：
Figure BDA0003431709680000071
判断式(4)计算得到的第一等速时间点teq1与接触开始时间t1，若teq1＜t1，取teq1＝t1；若teq1≥t 1，输出计算得到的第一等速时间点teq1。
步骤7：计算第二等速时间点teq2，通过下式计算：
Figure BDA0003431709680000072
式(5)中，f为定子振动频率，teq1为第一等速时间点。
步骤8：计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL，通过下式计算：
Figure BDA0003431709680000073
式(6)中，θt为单个定子齿所占的周向角度，nt为定子齿的数量，t为时间，t1为接触开始时间，t2接触结束时间，teq1为第一等速时间点，teq2为第二等速时间点。
步骤9：判断与转子转速N相对应的电机输出转矩TL的大小。
若TL＞0，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；若TL≤0，结束计算。
重置转子转速N的值，包括：将转子转速N的值加上步进常数Q，得到重置后的转子转速N的值。
步进常数Q的取值范围为0＜Q≤10。取值越小，计算的点数就越多，精度越高。优选，Q的取值为5。
步骤10：根据计算过程中所有转子转速N及其相对应的电机输出转矩TL，确定环形行波型超声波电机的转矩转速特性。
实施例二：
本实施例是基于实施例一提供的考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法的具体应用场景，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
以一台直径为60mm的环形行波型超声波电机为例，结合图1对各步骤进行详细的描述。
步骤1：获取环形行波型超声波电机的基本参数。
该环形行波型超声波电机的基本参数为：摩擦材料的弹性模量E＝6.67×108N/m2、摩擦系数μ＝0.14、定子振幅A＝2μm、定子振动频率f＝41kHz、定子工作模态的波峰数n＝9、定转子间的预压力Fn＝250N、定转子平均接触半径r＝27mm、定转子径向接触宽度b＝2mm、摩擦材料厚度h＝0.5mm、定子齿表面到中性面的距离a＝2.5mm。
步骤2：获取定子齿的结构参数。
定子齿的数量nt＝90个，单个定子齿所占的周向角度θt＝3°。
步骤3：计算接触开始时间t1，计算得到t1＝-3.7655×10-7s，落在
Figure BDA0003431709680000081
范围内。
步骤4：计算接触结束时间t2，计算得到t2＝1.2572×10-5s。
步骤5：设转子转速N的初始值为0r/min。
步骤6：计算第一等速时间点teq1，当N＝0r/min时，计算得到teq1＝0s，且teq1>t1。
步骤7：计算第二等速时间点teq2，当N＝0r/min时，计算得到teq2＝1.2195×10-5s。
步骤8：计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL，当转速N＝0r/min时，对应的输出转矩TL＝0.9373Nm。
步骤9：判断与转子转速N相对应的电机输出转矩TL的大小。
若TL＞0，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；若TL≤0，结束计算。
重置转子转速N的值，包括：将转子转速N的值加上步进常数Q，得到重置后的转子转速N的值。在本实施例中，步进常数Q＝5.0r/min，返回步骤6。
步骤10：根据计算过程中所有转子转速N及其相对应的电机输出转矩TL，确定环形行波型超声波电机的转矩转速特性。
如图2所示为考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机的转矩转速点相连形成的转矩转速特性曲线。本发明的实施例采用MATLAB编写计算程序，人工输入环形行波型超声波电机的基本参数和定子齿的结构参数，能够快速给出对应的转矩转速特性曲线。
本发明的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，计算过程简单，计算效率高，考虑了定子齿的结构参数，能够在电机的设计分析阶段准确地计算环形行波型超声波电机的转矩转速特性；本发明适应性强，能够计算不同尺寸的环形行波型超声波电机转矩转速特性；本发明同时能够用于环形行波型超声波电机的结构设计和优化分析，以提高电机的转矩转速性能。
实施例三：
本发明实施例提供考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算系统，包括：
获取模块：用于获取环形行波型超声波电机的基本参数和定子齿的结构参数；
计算模块：用于基于环形行波型超声波电机的基本参数、定子齿的结构参数和预设的转子转速N的值，计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；
判断模块：用于判断与转子转速N相对应的电机输出转矩TL的大小，若TL＞0，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；若TL≤0，结束计算；
转矩转速特性确认模块：用于根据计算过程中所有转子转速N及其相对应的电机输出转矩TL，确定环形行波型超声波电机的转矩转速特性。
实施例四：
本发明实施例提供一种计算机设备，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据实施例一所述方法的步骤。
实施例五：
本发明实施例提供计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现实施例一所述方法的步骤。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，其特征在于，包括：
获取环形行波型超声波电机的基本参数和定子齿的结构参数；
基于环形行波型超声波电机的基本参数、定子齿的结构参数和预设的转子转速N的值，计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；
判断与转子转速N相对应的电机输出转矩TL的大小，若TL＞0，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；若TL≤0，结束计算；
根据计算过程中所有转子转速N及其相对应的电机输出转矩TL，确定环形行波型超声波电机的转矩转速特性。
2.根据权利要求1所述的考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，其特征在于，所述环形行波型超声波电机的基本参数，包括：摩擦材料的弹性模量E、摩擦系数μ、定子振幅A、定子振动频率f、定子工作模态的波峰数n、定转子间的预压力Fn、定转子平均接触半径r、定转子径向接触宽度b、摩擦材料厚度h、定子齿表面到中性面的距离a。
3.根据权利要求1所述的考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，其特征在于，所述定子齿的结构参数，包括：定子齿的数量nt、单个定子齿所占的周向角度θt。
4.根据权利要求2所述的考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，其特征在于，所述计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL，通过下式计算：
Figure FDA0003431709670000021
式(1)中，θt为单个定子齿所占的周向角度，nt为定子齿的数量；t为时间，t1为接触开始时间，t2接触结束时间，teq1为第一等速时间点，teq2为第二等速时间点。
5.根据权利要求4所述的考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，其特征在于，接触开始时间t1和接触结束时间t2，通过下式计算：
Figure FDA0003431709670000022
Figure FDA0003431709670000023
其中，θt为单个定子齿所占的周向角度，nt为定子齿的数量，f为定子振动频率，通过式(2)得到接触开始时间t1，通过式(3)得到接触开始时间t1的范围；
Figure FDA0003431709670000024
通过式(4)得到接触结束时间t2。
6.根据权利要求4所述的考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，其特征在于，第一等速时间点teq1和第二等速时间点teq2，通过下式计算：
Figure FDA0003431709670000025
判断式(5)计算得到的第一等速时间点teq1与接触开始时间t1，若teq1＜t1，取teq1＝t1；若teq1≥t1，输出计算得到的第一等速时间点teq1；
Figure FDA0003431709670000031
式(6)中，f为定子振动频率，teq1为第一等速时间点，通过式(6)计算得到第二等速时间点teq2。
7.根据权利要求1所述的考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算方法，其特征在于，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL包括：
将转子转速N的值加上步进常数Q，得到重置后的转子转速N的值；
根据环形行波型超声波电机的基本参数、定子齿的结构参数和重置后的转子转速N的值，计算与重置后的转子转速N相对应的电机输出转矩TL。
8.一种考虑定子齿结构的环形行波型超声波电机转矩转速特性的计算系统，其特征在于，包括：
获取模块：用于获取环形行波型超声波电机的基本参数和定子齿的结构参数；
计算模块：用于基于环形行波型超声波电机的基本参数、定子齿的结构参数和预设的转子转速N的值，计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；
判断模块：用于判断与转子转速N相对应的电机输出转矩TL的大小，若TL＞0，重置转子转速N的值并计算与转子转速N相对应的电机输出转矩TL；若TL≤0，结束计算；
转矩转速特性确认模块：用于根据计算过程中所有转子转速N及其相对应的电机输出转矩TL，确定环形行波型超声波电机的转矩转速特性。
9.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器及存储介质；
所述存储介质用于存储指令；
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行根据权利要求1～7任一项所述方法的步骤。
10.计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1～7任一项所述方法的步骤。
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